1、提纲总结提纲总结 1.太阳和太阳大气的结构和特性。太阳基本参数（光谱型为G2V）半径(RA) 696,000km 109RE质量 1.99 x 1030Kg 330,000ME平均密度 1.408g/cm3 1/4PE表面温度 6000K中心温度 15,000,000K表面压强 200mb 1/5PSE距离地球距离(1AU) 1.49 x 108Km 215 RS表面重力加速度 274 ms-2 28 gE发光度 3.82 x 1026W 1.73 x 1017W太阳结构：核辐射区日核往外是辐射区，厚度为太阳的25%到70%，在核心产生的能量由光子的形式向外传播。内表面层辐射区与对流区之间的薄
2、层，目前普遍认为太阳磁场是从在该层中产生。此层中流体流速的变化和一拉什磁力线，使磁场增强。对流区太阳内部的最外层。底部的温度高，顶部的温度低，形成对流。太阳能量的99%是由中心氢转变为氦的核聚变反应产生的。太阳核心产生的能量开始是通过辐射向外传输，但在传输过程中，多次被吸收又再发射。由核心向外，温度、压力、数密度和光子能量都迅速减小。因此在辐射区与交界面之间形成了一个不透明的区域。太阳大气太阳大气层从内到外分为光球层、色球层、过渡区和日冕；太阳大气的主要成分是氢（质量约占71%）与氦（质量约占27%）。 光球层（厚几百公里）：米粒组织（1000km3000km）、黑子（温度低）、光斑、超米粒组
3、织。 色球层（1500km厚，H-alpha发射线） 过渡区（温度发生急剧变化） 日冕（108K，稀薄等离子体，温度高，密度低）：日珥（与色球相连，几十分钟）、暗条（日珥在太阳表面的投影，暗条消失速度急剧改变）、日冕环（日冕磁力线开结构区域）、冕洞（X射线成像的暗区，低密度冷等离子体区域，高速太阳风的源，几个到十几个太阳自转周）相关知识较差自转：太阳的赤道可以比高纬度地区旋转得更快，因此太阳大气的自传周期随日面纬度而变化，这种现象称为较差自转。相对于地球确定太阳的自转周期，在赤道区接近27天。（太阳发电机理论）为何闭合磁力线区域在日冕区域为颜色明亮，而在光球层却为暗区（如，太阳黑子）？太阳黑子
4、的强磁场区域就像是一个阀门，阻止了能量和热量向外的传输，因此导致了温度低、颜色暗。日冕处的闭合磁环充满了大量的高能粒子（被闭合磁力线捕获）。因此和背景比起来看起来是明亮的（如，x-ray）。太阳活动周期太阳圆盘上的太阳黑子的数量存在11周年变化的周期性，因此被称为太阳（太阳黑子）周期。太阳黑子数除了具有常规的太阳活动的11年周期性，同时还伴随太阳黑子随纬度分布的周期性。太阳黑子极大值之前黑子出现在30度左右，然后向低纬发展，黑子数的极大值出现在15度左右，极小年降为8度。太阳耀斑太阳亮度突然、快速和强烈的变化堆积在太阳大气层的磁能，短时间内爆发性的能量释放过程，持续时间从几十秒到几小时。主要特
5、征是电磁辐射急剧增大光学耀斑：发射可见光增强辐射，并可用单色光观测到；X光耀斑：用X光观测到的；白光耀斑：在白光照片上可以看到，这种耀斑极为罕见。与耀斑有关的光学现象有：耀斑前暗条激活、冲浪、喷焰、爆发日珥、环状日珥。日冕物质抛射（CME，Coronal Mass Emission）日冕物质被加热和加速，速度超过逃逸速度而飞向行星际空间。CME与太阳耀斑的关系？产生CME和耀斑都需要太阳磁场释放能量。CME和耀斑都包括了磁场中性线的喷发(空间和时间尺度不同）大约有一半的CME与耀斑无关；耀斑伴随着强烈的电磁辐射，并不总有粒子辐射，若有辐射耀斑产生的是大量的能量粒子；而CME主要是抛射物质（磁化
6、的等离子体），产生大量的低能等离子体和部分能量粒子；大的地磁暴与CME密切相关，只有同时有强粒子辐射的耀斑才引起磁暴。CME与耀斑不互相驱动，但有着密切的关系。CME和耀斑是两种不同的太阳活动的表现形式，两者之间并没有必然的联系，但都是地球空间动力学现象的很重要的源。对于驱动CME和耀斑产生的机制和粒子加速机制的理解还停留在初级的阶段。然而这方面的知识对于预报这两种现象是十分必要的。2.地球磁层的结构分层和基本特性。地磁层是电离气体被地磁场控制的区域。磁层底部到电离层顶，向阳面延伸到10个地球半径，背日侧可以延伸到几百个地球半径。磁层的组成：弓激波（bow shock）、磁鞘（magnetos
7、heath）、磁尾（magnetotail）、等离子体片（plasmasheet）、尾瓣（magnetotail lobes）、等离子体层（plasmasphere）、辐射带（radiation belts） 以及 许多电流体系。弓（形）激波：弓激波在行星磁层最前面，地球弓激波厚100-1000km，距离地球90000km（14 RE）。对磁层（或电离层）起到了保护作用。磁鞘磁鞘位于弓激波和磁层顶之间，太阳风通过弓激波后由超声速变为亚声速，这里的等离子体温度高扰动大。磁鞘中的等离子体和磁场来源于太阳风，但这个区域的性质即不同于太阳风也不同于磁层。磁层顶（magnetospause）磁层顶的位置
8、由太阳风动压强与地球磁场的磁压平衡点决定的。日下点磁层顶位置 10RE极间区（polar cusps or polar clefts）由于地球偶极磁场的形态，在磁层中存在中性点，在这一区域附近太阳风粒子可以直接进入磁层而不需要横越磁力线，这个区域成为极间区。边界层（boundary layers）【http:/magbase.rssi.ru/REFMAN/SPPHTEXT/blayer.html】边界层紧贴着磁层顶，可分为四部分：等离子体幔（plasma mantle）；（向日侧等离子体）进入层（entry layer）；极间区外区域（exterior cusp）；低纬边界层（low-lati
9、tude boundary layer,LLBL）。磁尾从极区发出的磁力线向背离太阳方向弯曲，这些磁力线所在区域为磁尾。等离子体片在两个尾瓣之间，近乎闭合磁力线的区域内存在着热的高能粒子，这一层叫做等离子体片。这里混合有来自太阳风的H+和来自电离层的O+。等离子体片边界层（plasma sheet boundary layer ，PSBL）该层将等离子体片与磁尾瓣分开，该边界层有尾瓣中的磁压与等离子体片的动压平衡决定的。（尾）瓣尾瓣占据了磁尾的大部分区域，在磁层顶与等离子体片之间。南北两瓣磁场方向相反，由等离子体片分割开来。等离子体层在内磁层中闭合磁力线区域中存在着冷而稠密的等离子体，范围从电
10、离层顶到等离子体层顶，该区域和环电流以及辐射带基本在同一区域，这里主要是来自电离层的等离子体与中低纬的磁力线。在磁地方时下午区域会存在一个凸起。 等离子体层顶 在大约4Re处等离子体浓度急剧下降，这里就是等离子体层顶。等离子体层顶变化范围在36Re。该位置是对流电场（晨昏电场）与旋转电场具有相同量级的地方，与地磁活动密切相关。磁层中的主要等离子体区：等离子体层、辐射带、环电流、等离子体片、边界层（包括等离子体幔、磁鞘等）磁层中的电流系统磁层顶电流（magnetopause current）尾部电流（tail current，背日侧磁层顶电流）中性片电流（neutral sheet curren
11、t，越尾电流）环电流（ring current）场向电流（field-aligned current）电离层电流a.磁层顶电流：将太阳风与地磁场分开，变强的磁层顶电流可以使Dst指数增加。b.尾电流：形成了磁尾磁场，使磁层顶电流和中性片电流闭合。c.环电流：包含10200KeV的捕获或准捕获粒子，由梯度-曲率漂移（gradient-curvature drift）和电场漂移（EB drift）共同作用产生，电场方向从昏侧指向黎明侧。Dst指数主要反映的就是环电流强度。 环电流的位于36Re，粒子主要来源于尾部的磁重联，并不是来自辐射带。d,场向电流：1区场向电流由对流电场（晨昏电场）驱动，从晨
12、侧LLBL开始进入极区，通过电离层后流向昏侧LLBL。2区场向电流起源于部分环电流，由于梯度漂移以及曲率漂移形成了部分环电流以及保护电场，由昏侧指向晨侧，因此2区场向电流方向与1区场向电流相反。3.电离层和中性大气层的分层结构和特性。根据热状态的特征，大气分为对流层、平流层、中间层、热层和外层（又称外逸层，或逃逸层）；根据大气成分随高度 分布的特征，分为均匀层和非均匀层；（中性成分的性质参见中高层大气物理学，这里没有细说，重点在电离层。）根据大气的电离特征，分为电离层和非电离层。电离层又可细分为 D层、E层和F层。 D层-电离层最低的一层，离地球表面50至90km。这里主要是波长为121.5n
13、m的赖曼-氢光谱线的光电离一氧化氮。这个层里离子对自由电子的捕获率比较高，因此电离效应比较低，因此它对高频无线电波没有影响。D层最明显的效应是白天远处的中波电台收不到。在夜间电子大量消失，D层可认为不复存在。 E层-是中层，在地面上90至120km。这里的电离主要是软X射线和远紫外线对氧分子的电离。这个层只能反射频率低于10MHz的电波，对频率高于10MHz的电波它有吸收的作用。夜间E层的变弱并且升高，电波可以被反射到更加远的地方。 F层-离地面120至400km，又分为 F1 层和 F2 层，F2层可从200km伸至1000km。在这里太阳辐射中的强紫外线（波长10至100nm）电离单原子氧
14、。F层对于电波传播来说是最重要的层。夜间F层合并为一个层，白天分为F1和F2两个层。大多数无线电波天波传送是F层形成的。在白天F层是电离层反射率最高的层。各层的高度、厚度和电子密度随昼夜、季节而变化，并受太阳活动(如太阳黑子等)的影响。在电离层中，含有足够多的自由电子，因此它既是无线电传播过程中的前提条件，同时又对传播过程产生不利影响。在晚上，D层消失，E层也变得很弱。F1和F2层合到了一起。由于没有了D层的吸收作用，我们可以开始使用较低的无线电频率。这也是为什么你可以在晚上听到很多国外的中波广播的原因。而那些在白天可以被反射的电波，在晚上则穿过了不够厚的F层。电离层相关：电离层异常：冬季异常
15、、赤道异常。电离层扰动：太阳引发突发电离层骚扰（SID）、电离层暴、极光带吸收、极盖吸收等；人为骚扰核爆炸、大功率短波雷达等；自然因素火山爆发、地震、台风和雷暴等。电离层闪烁热层暴（电离层扰动和闪烁内容最为丰富，相关的名词应该了解一下，见最后）4. 导致航天器灾害性损坏的空间环境效应。（引发不同效应的等离子体的特性）与航天器有关的空间天气因素包括中性大气、等离子体、电磁场、高能带电粒子、高真空和深冷、微流星体以及飞行体表面污染和溅蚀等。航天器系统受到空间环境影响产生的主要问题包括：-微米尺度的颗粒撞击航天器系统，造成系统结构的破坏；-由于高能带电粒子引起的单粒子翻转事件；-由于污染及辐射造成材
16、料性能的恶化；-电介质的击穿、空间系统的强静电、等离子体紊乱造成电磁波的折射与散射，以及对空间系统探测器的干扰等。空间环境效应有-航天器表面充电-航天器内部充电-单粒子事件-原子氧效应-航天器表面污染、空间碎片-对通信、导航与定位的影响表面充电航天器在空间运行过程中，受到周围等离子体、高能带电粒子的轰击以及太阳电磁辐射引起的光电子发射等影响，使航天器表面沉积一定数量的电荷，相对周围空间具有一定的电位。在航天器不同电位表面之间可能会发生静电放电。表面充电包括绝对充电和不等量充电。绝对充电-如果表面全都是金属，整个航天器将充电到相同的电位，这个过程称为绝对充电。绝对充电只是瞬时才能实现，特征周期是
17、毫秒的量级。不等量充电-如果航天器表面使用电介质材料，表面不同部位可能具有不同的电位，这个过程称不等量充电。不等量充电具有秒到分钟的时间尺度。介电材料使积累的电荷不能扩散，因此将存贮在它们中的电荷保持在某一部分。充电粒子通量的变化使得这些表面达到不同的浮动电位。航天器受日照的表面和处于阴影的表面，是不等量充电的典型情况。背日面容易带负电，向日面容易带正电。不等量充电比绝对充电效应更大，因为它可导致表面弧光放电或航天器不同电位表面之间的静电放电（ESD）。这种弧光放电或火花放电直接引起航天器部件的损坏和在电子部件中产生严重的干扰脉冲。为防止航天器表面严重充电以及由此引起的严重后果，经常采用的方法
18、是严格屏蔽壳体表面上的开口处，适当选择表面材料，提高电子设备的抗干扰能力和保证良好的“接地”等。与航天器的充电电位有关的有航天器形状与尺寸、太阳电池阵的电压、以及材料性质（介电厚度、介电常数、介电电阻、表面电阻、次级电子发射和光电发射）表面充电效应：航天器至空间击穿放电、内部击穿放电、高压电池阵冲放电，损坏电池、表面击穿放电（主要发生在边缘、尖状物、接缝、裂缝及缺陷）大多数充电事件没有达到超过10V（负值）的水平，仅有少量时间达到-2000V的水平。充电事件多数持续时间短于1min；大多数时间发生在冬季的夜间；充电事件几乎发生在磁纬60以上70一下的极光区内；时间多数发生在1500km高空以上
19、内部充电由能量范围为0.1-10MeV的高能电子引起的，它们穿透航天器的屏蔽层，沉积在电介质内。静电放电发生在绝缘介质材料中。能量范围为0.110MeV的高能粒子进入航天器内部后，穿透航天器的屏蔽层，沉积在电介质（如印刷电路板）或分布在绝缘导体表面。如果电介质的电导率非常低，电荷积累率则可高于泄露率，电介质内或绝缘导体表面的场强逐渐增加，当这个场强增大到该电介质的击穿阈值或导体与其周围部件的绝缘电场时，将发生放电现象（称为静电放电（ESD），从而造成航天器某些部件的损坏，最终导致航天器完全失效。常见的效应有指令错误、出现伪指令、探测仪器性能降低、部分器件失效甚至整个卫星完全失效。内部充电是地球
20、同步轨道通讯卫星和中低纬中高度卫星面临的最大威胁。与内部充电研究有关的概念：电荷沉储、辐射感应的电导率RIC、屏蔽密度、击穿时的电子通量和流量。内部充电发生伴随着高能电子通量的大幅度增加；卫星异常与高的电子日流量有关；异常前发生流量短时间降低；在高能电子作用下，介质内最大电场取决于材料性质、厚度以及电子的能谱，在RIC远大于暗电导率情况下，最大电场与高能电子在时间内的流量有密切关系，而与入射电子的瞬时通量无关；考虑了RIC后，尽管使电解质内部最大电场值降低，但由于达到饱和电场所需要的时间大大缩短，因此在空间天气中可以出现内部充电使介质电场超过击穿阈值的条件，典型的飞船异常伴随着持续一天或几天的
21、电子通量增加。措施：在保证材料机械性能的基础上，电介质越薄越好；对于低能电子，使用一定厚度的屏蔽；而对于高能电子，屏蔽厚度的选择要根据材料性质、卫星运行过程中可能经受的高能电子能谱等因素仔细研究确定，如果屏蔽厚度选择不当，反而会加剧内部充电。在保证基本绝缘性能的前提下，尽量选用有较高导电率的介质，包括高暗电导率、高RIC和高光电导率。空间辐射的影响有：单粒子事件（single Event Effects，SEE）、位移损失（Displacement Damage，DD）、Total Ionizing Dose（TID）。导致单粒子翻转的能量粒子：宇宙线（104105eV以上）、辐射带质子（10
22、MeV-100MeV）。导致全球的辐射损伤的辐射：辐射带质子、辐射带电子、太阳耀斑质子。单粒子事件-Single Event Effects (SEE)当高能重离子或质子打到电子学部件的芯片上时，在芯片的P-N结上产生的电荷使逻辑电路发生非正常电位翻转、锁定或击穿，这种现象称为单粒子事件。单粒子翻转Single Event Upset (SEU)由一个带电粒子（50MeV），例如宇宙线或质子在装置中产生状态的变化。这些都是“软错误”，重新启动可使装置恢复正常。单粒子硬错误Single Hard Error(SHE)也是一个SEU，但对装置的操作产生永久的改变。单粒子锁定Single Event
23、 Latch-up (SEL)是一个潜在的损害状态。主要发生于CMOS器件中。单个带电粒子入射产生的瞬态电流触发可控硅结构使其导通，由于可控硅的正反馈特性使电流不断增大，进入大电流再生状态，即导致锁定。对于典型器件，锁定电流高达安培量级。大电流导致器件局部温度升高，导致器件永久性性损坏。在航天工程中，防范单粒子锁定的措施主要有限流电阻、限流电路或系统重新掉电、上电等。单粒子烧毁Single Event burnout (SEB)电源MOS场效应管漏极-源极局部烧毁。单粒子事件的相关效应（1）瞬间效应：改变了内部存储单元的状态，电路仍具有正常功能，但可通过重新初始化恢复正常, 例如SEU。（2）
24、潜在的灾害性事件：除非在事件发生后很短的时间进行效正，否则会引起部件损坏，例如SEL。是空间系统很重要的问题，最保守的做法就是取消任何对锁定敏感的电路。（3）单粒子硬错误：引起复杂电路中单个晶体管的严重损坏，例如SHE。两个机制可产生硬错误：门区的微剂量沉积和门绝缘击穿。发生单粒子事件的概率与高能质子通量有密切关系。如果偶然发生单粒子事件，可以通过编码校正装置纠正，但频繁发生的单粒子事件，可导致航天器失效。高层大气变化对航天器的影响大气密度对轨道卫星的气动阻力效应卫星的阻力加速度为其中 是大气质量密度；CD、S分别是卫星的阻力系数和面积质量比；V是卫星相对大气的速度。大气阻力与卫星的形状、质量
25、、体积大小有关。太阳活动以及地磁活动会影响大气密度进而影响航天器轨道。原子氧对航天器表面的侵蚀原子氧是一种强氧化剂，能与有机化合物、金属表面作用，剥蚀表面材料，有的情况下产生挥发性氧化物，引起质量损失及传感器性能下降。原子氧与聚合物、碳等相互作用时形成挥发性氧化物；与银相互作用生成不黏合的氧化物，造成表面被逐渐剥蚀；与铝、硅等材料相互作用形成黏合的氧化物，附着在航天器表面，改变航天器表面的光学特性。原子氧剥蚀程度取决于原子氧积分通量和材料特性。原子氧积分通量与航天器运行高度原子氧数密度、飞行攻角和暴露时间有关。剥蚀厚度随太阳活动水平和航天器飞行高度变化。5.不同航天器轨道（LEO、MEO和GE
26、O）所处空间环境特性。高度低于1000km的航天器轨道称为低地球轨道（LEO）。LEO所处的等离子体环境基本是冷、稠密的和中热的等离子体。但是极轨LEO等离子环境，由于轨道会穿越极区，因此环境相对要复杂一些。位于赤道的LEO的航天器的表面电位小于极轨LEO航天器的表面电位。而且该轨道上的航天器还可能会穿过南大西洋异常区（SAA），这里会有高通量的高能质子以及电子，发生单粒子事件的可能性也增大。并且LEO轨道所在高度上原子氧的含量最高，受原子氧腐蚀也强烈。大气比较稠密，空气阻力对轨道影响显著。MEO在1800025000km（3.85.5Re）高度范围内。处在外辐射带和环电流区域，高能电子（10
27、0KeV）通量大。由于高度较高，宇宙线通量也较大，单粒子事件可能发生。GEO为地球同步轨道，在6.6Re处，大约在外辐射带外边缘，在太阳活动期间，高能粒子通量增加，会导致航天器发生异常。在太阳活动高年，各个轨道上的高能粒子通量都会增加，影响航天器的运行。除粒子外，还有空间碎片以及微流星体环境， 尤其LEO轨道空间碎片最多。（有待补充）6.地球偶极磁场特性。地球的基本磁场可分为偶极子磁场、非偶极子磁场和地磁异常几个组成部分。偶极子磁场是地磁场的基本成分，其强度约占地磁场总强度的90。偶极场近似r0为磁力线与赤道面的交点的地心距离，a为地球半径，对于地球的偶极磁场，L表示赤道面给定的磁力线到地心的
28、距离。由于地球的旋转给定的磁力线将随之旋转，因此形成一个L-shell.地磁场的长期变化-地球基本磁场在长时期内所发生的缓慢变化。偶极子磁矩的衰减和非偶极子磁场的西向漂移成为近代地磁场长期变化的两个基本特征。近代地磁场，偶极子磁场的长期变化主要表现为偶极子的磁矩约以每年减小0.05的速率衰减，偶极子的磁极位置每年约以0.05的速度沿纬度圈向西移动；非偶极子磁场的长期变化主要表现为每年约以0.2的速度沿纬度圈向西漂移,同时每年约以10nT量级的速率增强或减弱。地磁的变化通常又分为“平静”和“扰动”两种情况。地磁场的平静变化经常出现的叠加在基本磁场之上的各种周期性的地磁变化，分为太阳静日变化Sq和
29、太阴日变化L。地磁场的扰动变化在变化磁场中，还有一些偶然发生的、叠加在基本磁场和平静变化之上的各种短暂的地磁变化，称为地磁场的干扰变化，简称为磁扰。磁扰具有各种类型，主要的磁扰有磁暴时变化(Dst)：太阳粒子流扰动场(DCF)、环电流扰动场(DR)；极光区磁扰：地磁亚暴(DPI)、太阳扰日变化(SD)；地磁脉动(P)。地磁指数描述每一时间段内地磁扰动强度的一种分级指标，或某类磁扰强度的一种物理量。时间段均按世界时划分。第一类地磁指数(Kp和Ap)描述每一时间段内地磁扰动强度的指数。在中、低纬度地区，扰动的强度是按地磁场水平强度的变化确定的。K指数是单个台站三小时内地磁扰动强度的指数，称为三小时
30、磁情指数。把一天按照世界时分为8个时间段每段三小时，每段都有一个K指数，从0到10，数字越大表示地磁活动越强。显然各个台站有明显的地区特征，并且受季节和纬度的影响，为了得到全球的地磁活动指标，就在全球范围选12个台站，首先求出每个台站的标准化指数Ks，然后求出平均值得到Kp，称为行星际或者国际三小时磁情指数，每天八个值。ap以2纳特为单位。每日8个Kp可确定8个ap,每日8个ap之平均值，即为Ap指数第二类地磁指数（Dst和AE指数）专门描述某类磁扰强度的指数。Dst指数是描述磁暴时变化的指数。在地磁赤道附近选取5个均匀分布在不同经度上的地磁台，这些台站的每个小时内水平强度变化的平均值就是Ds
31、t的数值，单位为纳特。这种指数主要是为了描述环电流扰动场DR的强度，亦即描述DR环电流的强度。AU、AL及AE指数-描述极区磁亚暴强度即描述极光带电急流强度的指数。这些指数的数值，由均匀分布在极光带附近各个地磁台的每个小时内水平强度变化来决定(应消除平均的平静变化)，水平强度的单位为nT。AU指数是在这些台站中每个小时内的最大正变化。正变化出现在午后和傍晚，因此，AU指数反映了东向的极光带电急流的强度。AL指数是在这些台站中每个小时内的最大负变化。负变化出现在夜间和早晨，因此，AL指数反映了西向的极光带电急流的强度。AE指数是每个小时内最大正变化同最大负变化的绝对值之和。7.电离层和电波传播的关系。电离层被用来反射和传送高频无线电信号。反射后的信号回到地球表面，可以再次被反射到电离层。电波可以使得电离层里的自由电子以同样的频率振荡。假如此时自由电子被捕获的话，电波中的部分能量消失。假如电离层里自由电子的碰撞频率小于电波频率，而且自由电子密度足够高的话可以产生全发射。受影响的波段从极低频(ELF)直到甚高
