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1、空间物理学导论学习报告姓名：学号：学院： 2013.12.03一、引论冰冷的深夜，寓意死寂的黑暗一阵阵向我袭来，貌似要渗透和吞噬这具卑微而渺小的身体；也是在无数个漫长的黑夜，痛苦的人们流着绝望的泪水，不住地向着上帝祈求和祷告。在夜晚，人心变得脆弱，容易迷失自我，找不到自己未来的方向和生命的意义。幸好，在这时，在天空的正北方，闪耀着一颗明亮而耀眼的北极星，它刺破黑暗的统治，给生带来了一丝亮光，给人心带来了一丝抚慰，给漆黑中航行的人们指明了前进的方向。这就是大自然的神奇奥秘，也是物理学之美，它吸引着渴求知识的人们不断探索前进，揭开表象的层层面纱，还原现象后面本质的真实。随着“神五”和“神七”的升空
2、，中国航天事业进入了历史崭新的一页，吸引着更多人们对外太空和宇宙空间的无限遐想。2号凌晨“嫦娥三号”的发射成功更是振奋人心，中国的“航天大国”之梦正在一步一步实现。与我国航天探索飞跃式发展相对应的是，空间物理知识的快速增长以及对更多空间物理现象迫切需要认识了解与掌握应用，只有深知各种空间物理现象背后的原理，才能更好地发展中国航天事业。这个时代给中国空间物理学的发展带来了莫大的机会，同时也提出了更高的要求，空间物理学面临着巨大的挑战！当然，中国航天事业的发展不仅依赖空间物理学，也与物理学、数学、工程技术学等很多相关学科有着密切联系；并且，空间物理学除了指导中国航天事业的发展外，在我国军事国防、生
3、活服务方面也有重大作用。总之，无论对于理论还是实践而言，空间物理学都有着重大的意义，并且和各们相关学科相互渗透、相互依靠、相互促进、相互发展。二、空间物理学简介空间物理学由地球物理学、大气物理学和天文学延伸而来，主要研究地球空间、日地空间和行星际空间的物理现象。也就是说，空间物理学就是用数学物理等基础知识，对地球和行星的大气层、电离层、磁层，太阳，行星际空间，以及它们之间的相互作用和因果关系等进行探索和研究，认识和掌握这些对象和现象中所蕴含的物理学知识。很多人以为，我们生活在地球上，在地球表面活动，与宇宙空间的联系不大，不用深入研究地球表面以外的空间，这是个绝对错误的观念。虽然目前人类主要的活
4、动范围限于地表及岩石圈、大气层的低层，但与很多空间物理息息相关，甚至“一刻也离不开它”。最明显最容易让人信服的例证莫过于地球磁层：在地球附近空间，由于太阳风与地磁场相互作用，绝大部分地磁场被限制在地球附近的空间内，我们形象的称之为磁层。磁层改变了宇宙射线的传播方向，让我们免于那些强烈的有害的射线的伤害，时时刻刻保护着我们。没有磁层，我们根本无法立足于这个星球，甚至连生命的产生也是不可能的事。由于不同的研究对象有其特殊的性质，因而对空间物理现象的研究所用的方法和所采取的手段也不尽相同。例如，对磁场的研究，常常是运用磁力仪在地表或者航空对磁场的某一分量或者磁场总强度进行磁测，然后借助计算机对磁测数
5、据进行必要的圆滑、矫正等处理，反演模拟出地磁场三维（空间）分布或思维（空间和时间）分布；然而，对于日冕、耀斑等太阳表面的活动，则无法用仪器进行直接测量，因为太阳表面温度太高，目前还没有能耐如此高温的仪器可以降落在其表面，所以只能通过天文望远镜或者卫星等远距离观测分析，间接得出相关数据来了解和认识其活动规律。但是这并不表明我们不可能认识日冕、耀斑等活动，间接研究也是一种科学的研究方法，在人类生产力和科学技术还达不到当前需要的时候，间接研究和理论推导却是一种可行且有效的方法，并且被实践所证明。我们有理由相信，随着人类的发展和科学的进步，会产生更多的新方法和新工具，可以帮我们更高效、更精确地去认识空
6、间物理的各种宏观和微观现象。三、空间物理学的分支及部分分支简介根据研究对象的空间位置或者性质的差异，可以将空间物理学分成很多小的分支。如：电离层物理学、磁层物理学、宇宙线物理学、高层大气物理学、星际物理学、行星大气物理学、行星磁层物理学、太阳物理学等等。之所以对空间物理进行分支，是因为空间物理的每个分支会有其相对特殊的性质或意义，可采用有别与普通的研究方法和研究手段来开展探索研究工作；另外，分支也有助于人类认识的精细化，符合人类由整体到局部、由抽象到具体的认识规律。但是，我们不要“只见树木不见森林”，主观片面地进行科学研究，而应随时保持整体意识，用发展和联系的观点开展工作！随着人类对宇宙空间的
7、进军，许多新鲜的名词在大众生活中出现频率越来越高，比如，电离层、磁层、宇宙射线等到。可能我们并不觉得十分陌生，但如果要你口头表述一下它们的具体含义，却有感觉“无从下口”“只可意会不可言传”，更别提空间物理学的具体分支及内容。那么，接下来我对电离层物理学、磁层物理学等与人类活动相对关系较密切的空间物理学分支进行粗略介绍，意在做简单的普及和引导。电离层物理学的研究对象是电离层，研究内容包括发生在电离层中的电离过程、光化学、动力学等物理现象。到此，很多人就会产生疑问：什么是电离层？电离层是怎么产生的？它的存在状态又是什么？我想，曾经的科学家们也是怀着类似的一些问号不断对空间物理进行深入认识的。疑问是
8、一位把我们引进知识殿堂的使者。在地表大约60至几千千米的一个范围内，气体不再完全像我们地表这样以氧气、氮气等分子的形式而存在，而是以自由电子、正离子、负离子、原子、分子等混合形式存在。为什么会是这样？这是因为受太阳产生的电磁辐射与粒子辐射的作用，高层大气中的气体分子和原子被激发，引发分子和原子外层电子脱落原子核的束缚而电离出来，而形成微观上电性局部不均匀，宏观上成电中性的一部分区域，我们称之为电离层。电离层中的各种粒子不是处于静止不变的状态，而是处于相对平衡的电离过程。根据其粒子的密度不同，又可分为相对独立的若干层，各层除了有电离层的共性外，还有其特殊的性质，对人类生活对应的不同方面产生影响。
9、那么电离层的存在具体会给我们的生活带来哪些影响呢？电离层中的粒子和外加电磁场的作用，会产生类似于通信使用的电磁波，可能会干扰人们的通信，特别是太阳活动引起大磁暴期间，严重干扰了人类正常生活。电离层的存在并非有害无益，它吸收了大部分号称“生命杀手”的紫外线，并且可通过对电离层变化的研究间接认识太阳的活动。科学地说，它的存在本身并无好坏，是中性的。磁层物理学是研究由于太阳风与地磁场相互作用而产生的位于地球附近的磁层的产生、存在、发展与变化的分支学科。地球本身类似于一个偶极子磁体，会产生相应的磁场，如果不考虑其他因素，理论上来说，应该是一个对称的均匀分布磁层。但是地球处于宇宙空间中，有其特定的存在背
10、景，地磁场受综合因素的影响，实际存在状态并不是像理论想象的那样。对地磁场影响最大的是太阳风。在地磁场与太阳风相互作用平衡后，地磁场的存在空间被改变：面朝太阳的一面被太阳风“吹”，存在区域被限制在地球附近一个狭小范围内；而背向太阳的一侧，磁力线则延伸很远，总体形成一个类似“扫把星”的形态，我们把磁场主要的这个存在空间称为磁层。磁层与人类生活和社会有很大的联系。地磁场的变化会引起地球表面电流的变化，而地表电流的不同变化可以反映地下介质信息，从而为人类提供了一种认识地球内部构造的方法。也有科学家曾想象利用地磁场和地球自转来制造一个“大型发电机”来产生源源不断的电力供应，虽然没有实现，但也从另一个方面
11、说明了人类与地磁场的关系密切。更有人提出人体也有磁场，地磁场直接和人体磁直接相作用，直接影响人们的生理心理状态。无论电离层还是磁层，空间物理学总还有很多疑惑有待解开，这激励着我们当代青年不断学习，深入研究。四、国内大学空间物理学开设状况由于空间物理学发展较晚，属于新兴学科，所以国内开设此专业的院校不多，主要以中国科学技术大学、武汉大学、北京大学为代表，属理学。本专业主要学习任务为了解和掌握空间物理学基础知识，并熟练使用计算机，要求毕业达到能够在空间物理、空间探测、空间环境等相关行业从事业务、科研、教学等工作。具体来说，学习内容和主干课程包括高等数学、物理学基础、数学物理方法、计算机语言程序设计
12、、流体力学和等离子体物理、空间物理学（包括高层大气物理、电离层物理、磁层和行星际物理等）等。理论上说本专业毕业生可以进入气象、军事国防、航天航空等相关领域就业，但实际情况并非如此，相对来说就业还是比较困难。我相信，随着学科的发展和应用的推广，以及人们重视程度的提高，此专业会在未来几十年大繁荣。五、心得体会自从古代以来，人们就注视到了空间物理学现象，但由于理论知识的发展欠缺，人们不能够了解到其中的原理，而对极光、日冕、流星等现象进行了迷信的歪曲解释。但其中也包含了人们的部分认识以及美好的憧憬，并产生了如“嫦娥奔月”等很多美丽的传说。随着人类的发展和科学技术的进步，人类对空间物理现象的认识由想象发
13、展到了推理，以及再后来的实践。特别是火箭的产生和人类第一次登上月球的实现，对于空间物理学来说是飞跃式的一次变革。由于人类资源的枯竭和生存空间的污染与破坏，对地球以外的空间的探索提出了迫切的要求，并且人类同时也在不停的发射外太空探测器，不断地进行认识资料积累和深入的理论研究，在未来的某一天，空间物理学很可能成为超越地球物理学的一个崭新的、成熟的、系统的独立学科。由于我国特别注重航天航空领域的研究和发展，并且取得了一系列的重大成果，得到了世界先进国家（美国）等的肯定甚至嫉妒；而且又积极地推广应用，为人民生活和军事国防服务，使其产生了强大的生命力。这样推断下去，中国的空间物理学只会越来越发展，越来越先进。与此同时，这也是一个巨大的挑战，它要求我们要培养出更多的高科技空间物理工作者，要求我们观念从学习追赶到创新立标的转变，甚至要求与之相关的学科也齐头并进，协调发展。但是，从“神州”系列到“嫦娥”系列的成功过程中，我有足够的理由相信中国能胜任这一国际领先者的角色。虽然我的专业和兴趣均在于地球物理学，但是我也想为祖国的空间物理事业做出一分贡献，想通过夯实本专业基础知识，促进空间物理的进步！中国，加油！中国青年，加油！
