空間天氣及其物理原理

目錄
中譯本序言（一）
中譯本序言（二）
中譯本序言（三）
中譯本序言（四）
譯者序
原書前言
第一單元 空間天氣及其物理
第1章 空間——天氣之域 1
1.1 引言 2
1.1.1 空間不空 2
1.1.2 地球與空間天氣的領(lǐng)地 6
1.2 空間天氣發(fā)生的位置和原因 8
1.2.1 其他恒星對(duì)近太空環(huán)境的影響 9
1.2.2 太陽對(duì)空間天氣的影響 9
1.2.3 地球磁層與空間天氣之間的因果關(guān)系 16
1.2.4 空間天氣主導(dǎo)地球高層大氣 19
1.2.5 流星和星際塵埃對(duì)空間環(huán)境的影響 21
1.2.6 空間天氣對(duì)地球低層大氣以及地面的影響 22
1.3 兩個(gè)空間天氣暴的故事 23
1.3.1 空間天氣觀測(cè)的簡要?dú)v史 23
1.3.2 1859：太陽耀斑的第一次觀測(cè)和相關(guān)的地磁擾動(dòng) 25
1.3.3 2003：21世紀(jì)的極端空間天氣 27
1.3.4 空間天氣事件等級(jí) 30
1.4 洛倫茲力 35
第2章 空間——能量之域 45
2.1 空間中的能量簡介 46
2.1.1 系統(tǒng)中能量的物理概念 46
2.1.2 能量的形式與轉(zhuǎn)化 51
2.1.3 能量守恒與熵 63
2.1.4 高速下的能量 65
2.2 空間環(huán)境中的能量相互作用 67
2.2.1 粒子和場的能量轉(zhuǎn)移 67
2.2.2 電磁能量轉(zhuǎn)換：電磁波與光子 72
2.3 電磁輻射特征 78
2.3.1 黑體輻射 78
2.3.2 離散譜線吸收和輻射 84
2.3.3 其他輻射源 88
第3章 寧靜太陽及其與地球大氣的相互作用 97
3.1 寧靜的太陽及其內(nèi)部 98
3.1.1 太陽——我們的磁恒星 98
3.1.2 太陽分層結(jié)構(gòu) 102
3.1.3 對(duì)流的太陽 108
3.2 太陽大氣 114
3.2.1 太陽低層大氣 114
3.2.2 太陽高層大氣 120
3.3 寧靜太陽的磁場特征 128
3.3.1 多尺度的太陽磁場 128
3.3.2 典型太陽活動(dòng)周的磁變化 130
3.4 大氣的基本物理 134
3.4.1 大氣定律 134
3.4.2 大氣中的吸收作用 138
第4章 空間中的場和電流 157
4.1 場的介紹 158
4.1.1 場的概念 158
4.1.2 靜電場和磁場 164
4.1.3 麥克斯韋方程組 168
4.1.4 電、磁、電磁波能量密度（壓強(qiáng)） 177
4.2 電流和電導(dǎo)率 182
4.2.1 電荷守恒、電流連續(xù)性及電流密度 182
4.2.2 歐姆定律和電導(dǎo)率 185
4.3 空間環(huán)境中的磁行為 188
4.3.1 磁通量凍結(jié) 189
4.3.2 發(fā)電機(jī)的電磁特性 190
4.4 近地空間中的電流和電場 193
4.4.1 近地空間中的電流 193
4.4.2 空間中的電場 197
第5章 寧靜太陽風(fēng)：空間天氣的通道 209
5.1 寧靜太陽風(fēng) 210
5.1.1 太陽風(fēng)等離子體的特性 210
5.1.2 超聲速和超阿爾文速的太陽風(fēng) 218
5.1.3 行星際磁場特征 227
5.1.4 電流片和磁場扇形結(jié)構(gòu) 230
5.2 日球?qū)觾?nèi)太陽風(fēng)的相互作用 236
5.2.1 太陽風(fēng)在磁化障礙物周圍的減速 237
5.2.2 內(nèi)行星以外的太陽風(fēng) 243
第6章 空間中的等離子體 253
6.1 等離子體的特征和行為 254
6.1.1 等離子體行為的定性描述 254
6.1.2 等離子體特征的定義 258
6.2 單粒子動(dòng)力學(xué)I 264
6.2.1 單粒子的加速運(yùn)動(dòng) 264
6.2.2 單粒子的非加速運(yùn)動(dòng) 269
6.3 熱等離子體流體動(dòng)力學(xué) 278
6.3.1 麥克斯韋-玻爾茲曼分布與薩哈方程 278
6.3.2 等離子體中的能量密度 281
6.4 磁化等離子體流體動(dòng)力學(xué) 283
6.4.1 磁流體力學(xué)基礎(chǔ) 283
6.4.2 磁流體力學(xué)的應(yīng)用 289
6.5 等離子體波基礎(chǔ) 291
6.5.1 波的傳播 292
6.5.2 等離子體振蕩和波動(dòng) 292
第7章 平靜的地球磁層在空間環(huán)境和空間天氣中的角色 303
7.1 地磁場 304
7.1.1 地磁場的基礎(chǔ)知識(shí) 304
7.1.2 地磁場坐標(biāo)系 308
7.2 地磁場結(jié)構(gòu)以及帶電粒子種類 314
7.2.1 磁化的地球空間 314
7.2.2 內(nèi)磁層 318
7.2.3 與遠(yuǎn)磁尾之間的連接 320
7.3 單粒子動(dòng)力學(xué) II 324
7.3.1 回旋運(yùn)動(dòng)和彈跳運(yùn)動(dòng) 324
7.3.2 漂移運(yùn)動(dòng) 329
7.4 平靜磁層的物理過程 331
7.4.1 日側(cè)磁層頂?shù)男纬?331
7.4.2 質(zhì)量、能量和動(dòng)量向磁層的輸運(yùn) 334
7.4.3 等離子體層中的捕獲過程 342
第8章 地球的平靜大氣：其在空間環(huán)境和空間天氣中的作用 355
8.1 地球的中性大氣 356
8.2 地球的電離大氣 365
8.2.1 瞬態(tài)發(fā)光事件 365
8.2.2 隨高度變化的電離 367
8.2.3 電離層緯度和分層特征 376
8.3 電離層中的電波傳播 382
8.3.1 高頻電波傳播 382
8.3.2 電離層電波傳播的物理機(jī)制 384
8.4 電離層與其他區(qū)域的相互作用 391
8.4.1 平靜的高緯電離層與磁層的聯(lián)系 391
8.4.2 電離層物質(zhì)外流 397
第9章 活躍的太陽和其他恒星：空間天氣的源頭 405
9.1 太陽活動(dòng)周及其起源 406
9.1.1 太陽發(fā)電機(jī)和它所驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng) 406
9.1.2 活動(dòng)區(qū)及其組成 410
9.2 太陽爆發(fā)活動(dòng) 419
9.2.1 磁重構(gòu)的能量通道 419
9.2.2 耀斑和射電暴 420
9.2.3 日冕物質(zhì)拋射 429
9.2.4 太陽高能粒子 437
9.3 來自其他恒星的空間天氣效應(yīng) 441
9.3.1 來自宇宙的低能和高能粒子 441
9.3.2 來自宇宙的高能光子 445
第二單元 擾動(dòng)的空間天氣及其物理
第10章 擾動(dòng)的行星際介質(zhì)：空間天氣的導(dǎo)體 453
10.1 準(zhǔn)靜態(tài)太陽風(fēng)中的擾動(dòng) 454
10.1.1 低速太陽風(fēng)中的準(zhǔn)靜態(tài)結(jié)構(gòu) 454
10.1.2 太陽風(fēng)中的共轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu) 457
10.2 太陽風(fēng)中的瞬變擾動(dòng) 464
10.2.1 行星際介質(zhì)中瞬變事件的特性 464
10.2.2 行星際介質(zhì)中瞬變事件的對(duì)地有效性 469
10.3 來自行星際激波的太陽高能粒子 479
10.3.1 行進(jìn)激波和太陽高能粒子 479
10.3.2 激波加速機(jī)制 486
第11章 擾動(dòng)的地球磁層及其與太陽風(fēng)和電離層之間的耦合 497
11.1 磁暴的描述 498
11.1.1 行星際介質(zhì)和磁暴 498
11.1.2 Dst指數(shù)及其與環(huán)電流和磁暴相位之間的關(guān)系 499
11.2 大尺度磁場擾動(dòng) 504
11.2.1 來自太陽風(fēng)的能量 504
11.2.2 與電離層關(guān)聯(lián)的能量耗散過程 507
11.2.3 能量注入捕獲區(qū) 512
11.3 磁暴期間場和電流的耦合 526
11.3.1 高緯磁層-電離層耦合 526
11.3.2 中緯和低緯磁層的屏蔽 533
第12章 地球大氣中的空間天氣擾動(dòng) 541
12.1 高層大氣擾動(dòng)的驅(qū)動(dòng)源 542
12.1.1 典型太陽活動(dòng)周行為 542
12.1.2 耀斑和快速CME的能量響應(yīng) 544
12.1.3 磁層能量源 547
12.1.4 坡印廷定理，坡印廷通量和焦耳加熱 555
12.2 熱層擾動(dòng)效應(yīng) 561
12.2.1 內(nèi)部擾動(dòng)：熱層潮汐和風(fēng) 561
12.2.2 來自高緯的外部擾動(dòng) 563
12.2.3 熱層中的外流，上涌和成分變化 566
12.3 電離層暴時(shí)效應(yīng) 572
12.3.1 電離層極蓋吸收事件 572
12.3.2 電離層暴和擾動(dòng)特征 574
第三單元 空間天氣和空間環(huán)境的影響及效應(yīng)
第13章 近地空間——影響裝備與人類之域 591
13.1 粒子和光子的危害及影響 592
13.1.1 粒子輻射環(huán)境 592
13.1.2 高能粒子輻射環(huán)境對(duì)人類和設(shè)備的影響 601
13.1.3 高能等離子體、光子以及中性大氣對(duì)設(shè)備的影響 614
13.1.4 航天器阻力 620
13.2 流星體和空間碎片環(huán)境造成的撞擊和損傷 625
13.2.1 流星體環(huán)境 625
13.2.2 空間碎片環(huán)境 629
13.3 場變化造成的硬件影響和損傷 633
13.3.1 高能電子 633
13.3.2 地磁場與衛(wèi)星的相互作用 635
13.3.3 地磁場與地面設(shè)備的相互作用 637
13.4 空間天氣對(duì)系統(tǒng)的影響概述 I 642
第14章 空間天氣和空間環(huán)境對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)的影響 653
14.1 背景和來自太陽的影響 654
14.1.1 背景電離層的影響 654
14.1.2 信號(hào)快速影響 656
14.1.3 突發(fā)太陽質(zhì)子事件產(chǎn)生極蓋吸收 663
14.1.4 地磁暴和季節(jié)對(duì)信號(hào)的影響 664
14.2 非太陽因素對(duì)電波傳播的影響 676
14.2.1 流星的影響 676
14.2.2 磁星影響 677
14.2.3 高空核爆對(duì)信號(hào)的影響 679
14.3 空間天氣對(duì)系統(tǒng)的影響概述Ⅱ 681
附錄A 美國國家海洋和大氣管理局空間天氣等級(jí) 687
附錄B 電磁波與光速 691
附錄C 矢量恒等式 692
附錄D 物理常數(shù)和太陽物理、地球物理常數(shù) 693
索引 694