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内容简介

　　 空间天气学是应用广泛的一门新兴交叉学科，《空间天气学》系统地介绍了空间天气学研究的内容和新进展。全书分五章，第一章是概论，主要介绍了空间天气学的基本概念。第二章是太阳大气与行星际天气，重点介绍太阳耀斑、日冕物质抛射、太阳能量粒子事件和行星际激波。第三章介绍地球空间的天气系统与天气过程以及太阳活动影响气象过程的可能机制。第四章介绍空间天气对各种技术系统的效应。第五章介绍了空间天气建模和预报的基本情况和典型模式及预报方法。
　　 《空间天气学》可作为高等院校空间物理学、空间环境学和大气环境学等相关专业本科生和研究生的教材，也可作为空间科学、大气科学、天文学、环境科学、航天、通讯、军事、国防等部门研究人员和业务人员的参考用书。

内页插图

目录

前言
第一章 概论
1.1 空间天气及其效应
1.1.1 什么是空间天气
1.1.2 典型的空间天气效应
1.1.3 空间天气业务
1.2 新兴的交叉学科——空间天气学
1.2.1 空间天气学的基本概念
1.2.2 空间天气学的研究对象
1.2.3 空间天气学的研究方法
1.2.4 空间天气学与对流层天气学比较
1.2.5 空间天气学研究的利益
1.2.6 空间天气学当前的状况和展望

第二章 太阳大气与行星际天气
2.1 概述
2.1.1 太阳的结构与发电机理论
2.1.2 太阳大气中的天气系统与天气过程
2.2 强电磁辐射型天气——耀斑
2.2.1 耀斑的基本形态
2.2.2 X射线暴
2.2.3 射电暴
2.3 强的物质喷发型天气——CME
2.3.1 CME的形态特征
2.3.2 CME的结构与动力学
2.3.3 CME的能源
2.3.4 CME的直接驱动模式
2.3.5 CME存储和释放模式
2.3.6 CME与耀斑
2.4 太阳能量粒子事件(SEP)
2.4.1 SEP一般特征和分类
2.4.2 SEP的基本性质
2.4.3 CME激波与SEP
2.4.4 SEP事件的大小
2.4.5 SEP的空间分布特性
2.5 太阳活动的长期变化
2.5.1 太阳黑子与太阳黑子周
2.5.2 太阳活动区
2.5.3 太阳黑子数与地磁活动周期
2.5.4 总太阳辐照度的长期变化
2.6 行星际天气
2.6.1 行星际磁场、扇形结构与激波
2.6.2 行星际空间的太阳风
2.6.3 共转相互作用区
2.6.4 磁云——行星际空间的CME
2.6.5 行星际激波
2.6.6 宇宙线

第三章 地球空间的天气系统与天气过程
3.1 地球空间的天气系统概述
3.1.1 地球空间的基本结构
3.1.2 地球空间的主要天气系统
3.2 磁层天气
3.2.1 磁层环流
3.2.2 磁暴
3.2.3 磁层亚暴
3.2.4 辐射带的动态变化
3.2.5 高能电子暴
3.3 电离层与热层天气
3.3.1 电离层与热层天气系统的一般特征
3.3.2 突发电离层骚扰
3.3.3 电离层暴
3.3.4 高纬电离层天气
3.3.5 中纬天气
3.3.6 低纬天气
3.4 空间天气与对流层天气
3.4.1 太阳活动影响对流层天气的可能途径
3.4.2 空间天气与中性大气的电耦合
3.4.3 太阳活动影响气象过程的机制

第四章 空间天气效应
4.1 空间天气对航天器的效应
4.1.1 与航天器设计有关的空间天气领域
4.1.2 空间天气对航天器的效应概述
4.2 航天器表面充电
4.2.1 概述
4.2.2 航天器表面充电基础理论
4.2.3 LEO航天器表面充电问题
4.2.4 LEO航天器表面充电的统计特征
4.3 航天器内部充电
4.3.1 航天器内部充电及异常分析
4.3.2 内部充电的物理机制
4.3.3 结论和措施
4.4 单粒子事件
4.4.1 航天器与航空器中的单粒子事件
4.4.2 单粒子翻转发生率的计算方法
4.4.3 避免或减轻单粒子事件的措施
4.5 辐射效应
4.5.1 概述
4.5.2 空间辐射对宇航员的危害
4.6 电离层天气对通讯、导航和定位的效应
4.6.1 电离层中的电磁波传播概述
4.6.2 电离层对无线电系统的影响
4.6.3 电离层闪烁
4.7 地磁场变化对技术系统的效应
4.7.1 地磁场的组成及变化
4.7.2 磁暴对输电系统和地下管线的影响
4.7.3 地磁场对航天器工作状态的影响
4.8 高层大气变化对航天器的影响¨
4.8.1 大气密度对低轨卫星的气动阻力效应
4.8.2 原子氧对航天器表面的侵蚀
4.9 微流星体与空间碎片对航天器的影响
4.9.1 微流星体
4.9.2 空间碎片
4.9.3 微流星体及空间碎片建模
4.9.4 微流星体及空间碎片对航天器的危害
4.10 人工局部改变空间天气及其在军事上的应用
4.10.1 空间光学背景与航天器本身的发光现象
4.10.2 空间电磁干扰及其对军事的影响
4.10.3 电离层人工变态及其在军事上应用

第五章 空间天气建模与预报
5.1 空间天气建模
5.1.1 空间天气建模概况
5.1.2 太阳活动建模
5.1.3 太阳风建模
5.1.4 磁层建模
5.1.5 电离层建模
5.1.6 中性大气建模
5.1.7 效应模式
5.2 空间天气预报
5.2.1 空间天气预报的主要内容和方法
5.2.2 太阳活动预报
5.2.3 行星际磁场南向分量预报
5.2.4 地磁活动预报
5.2.5 相对论电子事件可预报的特征
5.2.6 电离层活动预报
5.2.7 大气活动预报
5.2.8 全球空间天气预报的自适应MHD方法
英文缩写与中文意义对照
主题词索引

精彩书摘

与空间天气直接有关的区域巨大而又复杂，空间科学所有传统领域都与空间天气的研究有关。例如，行星际大气和磁层的研究，在加深我们对支配地球环境的基本物理过程的理解方面是很重要的。类似的，等离子体和化学反应率的实验室研究，有助于提高我们观测和了解空间各种现象的能力。
空间天气变化开始在太阳表面。太阳是影响地球的电磁辐射和粒子辐射的能源。太阳活动性改变了太阳的辐射和粒子输出，在近地空间环境中以及地球表面产生相应的变化。就空间天气效应而言，最有影响的事件是太阳耀斑和日冕物质抛射。虽然太阳辐射的长期变化不会产生明显的空间天气效应，但它在帮助我们了解短期变化幕后的潜在效应方面是很重要的.太阳辐射输出的变化通过原子和分子的激发和电离直接影响高层大气和电离层的状态。太阳的粒子发射包括高能粒子和组成太阳风的低能粒子。粒子和场在从太阳外流时不断变化，特别是它们与行星际激波相互作用时。
太阳风从太阳向外流动并撞击地球。太阳风的等离子体和磁场与地球的大气层和地磁场相互作用产生泪珠状的、被称为磁层的区域。这个区域的表面，即磁层顶，在太阳向是5～10个地球半径，而在反太阳向扩展到月球轨道之外。磁层顶被认为是一个屏障，它防止除太阳风携带的－小部分能量之外的所有能量进入磁层。在正常条件下，这个能量以磁层粒子和场的形式存储，但在一定条件下，它脉动式地释放到地球的大气层。能量的脉动式释放归因于磁层亚暴。它表现为明亮的、变化的极光和强的电离层电流。在亚暴期间，磁层的磁场突然呈现新的位形，接着是长达许多小时的恢复时问。
亚暴描述了磁层对太阳风激励源相对短的响应，而地磁暴是对由强的、长时间（几天到几周）南向的行星际磁场的响应。这个状态产生相当大的环电流能量，因此，在低地磁纬度产生很大的地磁起伏。磁层粒子沉降到极盖，加热中性大气并激发电离层扰动。太阳风状态返回到未受扰动情况后，磁层和电离层需要几小时或几天才能恢复到原来状态。
由于地球的磁场穿过磁层，大多数磁层过程通过某种方式与电离层和热层性质的变化联系在一起。例如，电流、极光发射、摩擦加热、电离和闪烁。所有这些现象都是近地空间天气的组成单元。这些效应也受源于低高度的过程影响，例如重力波以及来自太阳辐射和宇宙线的直接能量沉降。空间天气效应也包括在地表面感应的电流，它是电离层电流变化的结果。
以上粗略地描绘了空间天气产生和变化的一般图像。归根结底，空间不是空的，太阳不是稳定的，空间环境对不断变化的太阳的响应就构成了空间天气。

前言/序言

　　空间天气学是研究各种空间天气现象发生、发展和变化规律，以及如何运用这些规律来进行空间天气预报的一门学科。同时，空间天气学还研究各种空间天气效应，以及避免和减轻空间天气灾害的方法和途径。
　　空间天气学是在太阳物理学、行星际物理学、磁层物理学、电离层物理学、高层大气物理学和气象学的基础上发展起来的一门新兴交叉学科，国外常用“science of space weather”来表示这门学科。一般认为，空间天气学是一门应用科学，但更确切地说，它是由纯粹科学和应用科学的交叉而形成的一门科学。
　　我是在1994年开始研究空间天气学的。使我对空间天气产生浓厚兴趣，并下决心钻研的是G.Soscoe等发表在EOS Trans（1994年8月2日）上的一篇论文。这篇文章深入浅出地论述了开展空间天气研究的意义、方针和措施；从气象业务中可借鉴的经验；空间物理学与空间天气研究的关系等，整篇文章给人以耳目一二新的感觉。正是在这篇文章的启发下，我开始收集有关空间天气的资料，并于1995年分别在北京大学地球物理学系学生会举办的“天·地·人文化月”报告会、北京市地球物理学会年会和中国地球物理学会年会上，做了关于空间天气的报告。1996年，北京大学空间物理学专业率先在国内为研究生开设了“空间天气学”课程。1998年初，北京大学使用了由我编写的讲义《空间天气学》。同年5月，国家基金委地学部和北京大学联合举办了空间天气学讲习班，这个讲义在讲习班中发挥了重要作用。由于空间天气学发展迅速，涉及的学科领域也不断扩大，许多部门希望能系统地了解空间天气学的内容，而北京大学发行的《空间天气学》讲义早已销售一空，况且内容也需要充实和更新。因此，在2001年全国第四次空间天气学研讨会期间，南京大学方成院士鼓励我正式出版《空间天气学》。在方院士的鼓励下，我开始修订原来的讲义。

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