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內容簡介

　　 空間天氣學是應用廣泛的一門新興交叉學科，《空間天氣學》係統地介紹瞭空間天氣學研究的內容和新進展。全書分五章，第一章是概論，主要介紹瞭空間天氣學的基本概念。第二章是太陽大氣與行星際天氣，重點介紹太陽耀斑、日冕物質拋射、太陽能量粒子事件和行星際激波。第三章介紹地球空間的天氣係統與天氣過程以及太陽活動影響氣象過程的可能機製。第四章介紹空間天氣對各種技術係統的效應。第五章介紹瞭空間天氣建模和預報的基本情況和典型模式及預報方法。
　　 《空間天氣學》可作為高等院校空間物理學、空間環境學和大氣環境學等相關專業本科生和研究生的教材，也可作為空間科學、大氣科學、天文學、環境科學、航天、通訊、軍事、國防等部門研究人員和業務人員的參考用書。

內頁插圖

目錄

前言
第一章 概論
1.1 空間天氣及其效應
1.1.1 什麼是空間天氣
1.1.2 典型的空間天氣效應
1.1.3 空間天氣業務
1.2 新興的交叉學科——空間天氣學
1.2.1 空間天氣學的基本概念
1.2.2 空間天氣學的研究對象
1.2.3 空間天氣學的研究方法
1.2.4 空間天氣學與對流層天氣學比較
1.2.5 空間天氣學研究的利益
1.2.6 空間天氣學當前的狀況和展望

第二章 太陽大氣與行星際天氣
2.1 概述
2.1.1 太陽的結構與發電機理論
2.1.2 太陽大氣中的天氣係統與天氣過程
2.2 強電磁輻射型天氣——耀斑
2.2.1 耀斑的基本形態
2.2.2 X射綫暴
2.2.3 射電暴
2.3 強的物質噴發型天氣——CME
2.3.1 CME的形態特徵
2.3.2 CME的結構與動力學
2.3.3 CME的能源
2.3.4 CME的直接驅動模式
2.3.5 CME存儲和釋放模式
2.3.6 CME與耀斑
2.4 太陽能量粒子事件(SEP)
2.4.1 SEP一般特徵和分類
2.4.2 SEP的基本性質
2.4.3 CME激波與SEP
2.4.4 SEP事件的大小
2.4.5 SEP的空間分布特性
2.5 太陽活動的長期變化
2.5.1 太陽黑子與太陽黑子周
2.5.2 太陽活動區
2.5.3 太陽黑子數與地磁活動周期
2.5.4 總太陽輻照度的長期變化
2.6 行星際天氣
2.6.1 行星際磁場、扇形結構與激波
2.6.2 行星際空間的太陽風
2.6.3 共轉相互作用區
2.6.4 磁雲——行星際空間的CME
2.6.5 行星際激波
2.6.6 宇宙綫

第三章 地球空間的天氣係統與天氣過程
3.1 地球空間的天氣係統概述
3.1.1 地球空間的基本結構
3.1.2 地球空間的主要天氣係統
3.2 磁層天氣
3.2.1 磁層環流
3.2.2 磁暴
3.2.3 磁層亞暴
3.2.4 輻射帶的動態變化
3.2.5 高能電子暴
3.3 電離層與熱層天氣
3.3.1 電離層與熱層天氣係統的一般特徵
3.3.2 突發電離層騷擾
3.3.3 電離層暴
3.3.4 高緯電離層天氣
3.3.5 中緯天氣
3.3.6 低緯天氣
3.4 空間天氣與對流層天氣
3.4.1 太陽活動影響對流層天氣的可能途徑
3.4.2 空間天氣與中性大氣的電耦閤
3.4.3 太陽活動影響氣象過程的機製

第四章 空間天氣效應
4.1 空間天氣對航天器的效應
4.1.1 與航天器設計有關的空間天氣領域
4.1.2 空間天氣對航天器的效應概述
4.2 航天器錶麵充電
4.2.1 概述
4.2.2 航天器錶麵充電基礎理論
4.2.3 LEO航天器錶麵充電問題
4.2.4 LEO航天器錶麵充電的統計特徵
4.3 航天器內部充電
4.3.1 航天器內部充電及異常分析
4.3.2 內部充電的物理機製
4.3.3 結論和措施
4.4 單粒子事件
4.4.1 航天器與航空器中的單粒子事件
4.4.2 單粒子翻轉發生率的計算方法
4.4.3 避免或減輕單粒子事件的措施
4.5 輻射效應
4.5.1 概述
4.5.2 空間輻射對宇航員的危害
4.6 電離層天氣對通訊、導航和定位的效應
4.6.1 電離層中的電磁波傳播概述
4.6.2 電離層對無綫電係統的影響
4.6.3 電離層閃爍
4.7 地磁場變化對技術係統的效應
4.7.1 地磁場的組成及變化
4.7.2 磁暴對輸電係統和地下管綫的影響
4.7.3 地磁場對航天器工作狀態的影響
4.8 高層大氣變化對航天器的影響¨
4.8.1 大氣密度對低軌衛星的氣動阻力效應
4.8.2 原子氧對航天器錶麵的侵蝕
4.9 微流星體與空間碎片對航天器的影響
4.9.1 微流星體
4.9.2 空間碎片
4.9.3 微流星體及空間碎片建模
4.9.4 微流星體及空間碎片對航天器的危害
4.10 人工局部改變空間天氣及其在軍事上的應用
4.10.1 空間光學背景與航天器本身的發光現象
4.10.2 空間電磁乾擾及其對軍事的影響
4.10.3 電離層人工變態及其在軍事上應用

第五章 空間天氣建模與預報
5.1 空間天氣建模
5.1.1 空間天氣建模概況
5.1.2 太陽活動建模
5.1.3 太陽風建模
5.1.4 磁層建模
5.1.5 電離層建模
5.1.6 中性大氣建模
5.1.7 效應模式
5.2 空間天氣預報
5.2.1 空間天氣預報的主要內容和方法
5.2.2 太陽活動預報
5.2.3 行星際磁場南嚮分量預報
5.2.4 地磁活動預報
5.2.5 相對論電子事件可預報的特徵
5.2.6 電離層活動預報
5.2.7 大氣活動預報
5.2.8 全球空間天氣預報的自適應MHD方法
英文縮寫與中文意義對照
主題詞索引

精彩書摘

與空間天氣直接有關的區域巨大而又復雜，空間科學所有傳統領域都與空間天氣的研究有關。例如，行星際大氣和磁層的研究，在加深我們對支配地球環境的基本物理過程的理解方麵是很重要的。類似的，等離子體和化學反應率的實驗室研究，有助於提高我們觀測和瞭解空間各種現象的能力。
空間天氣變化開始在太陽錶麵。太陽是影響地球的電磁輻射和粒子輻射的能源。太陽活動性改變瞭太陽的輻射和粒子輸齣，在近地空間環境中以及地球錶麵産生相應的變化。就空間天氣效應而言，最有影響的事件是太陽耀斑和日冕物質拋射。雖然太陽輻射的長期變化不會産生明顯的空間天氣效應，但它在幫助我們瞭解短期變化幕後的潛在效應方麵是很重要的.太陽輻射輸齣的變化通過原子和分子的激發和電離直接影響高層大氣和電離層的狀態。太陽的粒子發射包括高能粒子和組成太陽風的低能粒子。粒子和場在從太陽外流時不斷變化，特彆是它們與行星際激波相互作用時。
太陽風從太陽嚮外流動並撞擊地球。太陽風的等離子體和磁場與地球的大氣層和地磁場相互作用産生淚珠狀的、被稱為磁層的區域。這個區域的錶麵，即磁層頂，在太陽嚮是5～10個地球半徑，而在反太陽嚮擴展到月球軌道之外。磁層頂被認為是一個屏障，它防止除太陽風攜帶的－小部分能量之外的所有能量進入磁層。在正常條件下，這個能量以磁層粒子和場的形式存儲，但在一定條件下，它脈動式地釋放到地球的大氣層。能量的脈動式釋放歸因於磁層亞暴。它錶現為明亮的、變化的極光和強的電離層電流。在亞暴期間，磁層的磁場突然呈現新的位形，接著是長達許多小時的恢復時問。
亞暴描述瞭磁層對太陽風激勵源相對短的響應，而地磁暴是對由強的、長時間（幾天到幾周）南嚮的行星際磁場的響應。這個狀態産生相當大的環電流能量，因此，在低地磁緯度産生很大的地磁起伏。磁層粒子沉降到極蓋，加熱中性大氣並激發電離層擾動。太陽風狀態返迴到未受擾動情況後，磁層和電離層需要幾小時或幾天纔能恢復到原來狀態。
由於地球的磁場穿過磁層，大多數磁層過程通過某種方式與電離層和熱層性質的變化聯係在一起。例如，電流、極光發射、摩擦加熱、電離和閃爍。所有這些現象都是近地空間天氣的組成單元。這些效應也受源於低高度的過程影響，例如重力波以及來自太陽輻射和宇宙綫的直接能量沉降。空間天氣效應也包括在地錶麵感應的電流，它是電離層電流變化的結果。
以上粗略地描繪瞭空間天氣産生和變化的一般圖像。歸根結底，空間不是空的，太陽不是穩定的，空間環境對不斷變化的太陽的響應就構成瞭空間天氣。

前言/序言

　　空間天氣學是研究各種空間天氣現象發生、發展和變化規律，以及如何運用這些規律來進行空間天氣預報的一門學科。同時，空間天氣學還研究各種空間天氣效應，以及避免和減輕空間天氣災害的方法和途徑。
　　空間天氣學是在太陽物理學、行星際物理學、磁層物理學、電離層物理學、高層大氣物理學和氣象學的基礎上發展起來的一門新興交叉學科，國外常用“science of space weather”來錶示這門學科。一般認為，空間天氣學是一門應用科學，但更確切地說，它是由純粹科學和應用科學的交叉而形成的一門科學。
　　我是在1994年開始研究空間天氣學的。使我對空間天氣産生濃厚興趣，並下決心鑽研的是G.Soscoe等發錶在EOS Trans（1994年8月2日）上的一篇論文。這篇文章深入淺齣地論述瞭開展空間天氣研究的意義、方針和措施；從氣象業務中可藉鑒的經驗；空間物理學與空間天氣研究的關係等，整篇文章給人以耳目一二新的感覺。正是在這篇文章的啓發下，我開始收集有關空間天氣的資料，並於1995年分彆在北京大學地球物理學係學生會舉辦的“天·地·人文化月”報告會、北京市地球物理學會年會和中國地球物理學會年會上，做瞭關於空間天氣的報告。1996年，北京大學空間物理學專業率先在國內為研究生開設瞭“空間天氣學”課程。1998年初，北京大學使用瞭由我編寫的講義《空間天氣學》。同年5月，國傢基金委地學部和北京大學聯閤舉辦瞭空間天氣學講習班，這個講義在講習班中發揮瞭重要作用。由於空間天氣學發展迅速，涉及的學科領域也不斷擴大，許多部門希望能係統地瞭解空間天氣學的內容，而北京大學發行的《空間天氣學》講義早已銷售一空，況且內容也需要充實和更新。因此，在2001年全國第四次空間天氣學研討會期間，南京大學方成院士鼓勵我正式齣版《空間天氣學》。在方院士的鼓勵下，我開始修訂原來的講義。
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