空间天气及其物理原理

　　《空间天气及其物理原理》系统介绍了日地空间环境中诸如太阳耀斑、太阳高能粒子、日冕物质抛射等基本的空间天气现象和变化特性，并深入解释了与之相关的太阳物理、空间等离子体物理、磁层物理、电离层物理、中高层大气物理的基本原理，继而进一步讨论了空间天气和空间环境对电波传播、航天装备等关键基础设施的影响。

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目录
中译本序言（一）
中译本序言（二）
中译本序言（三）
中译本序言（四）
译者序
原书前言
第一单元 空间天气及其物理
第1章 空间——天气之域 1
1.1 引言 2
1.1.1 空间不空 2
1.1.2 地球与空间天气的领地 6
1.2 空间天气发生的位置和原因 8
1.2.1 其他恒星对近太空环境的影响 9
1.2.2 太阳对空间天气的影响 9
1.2.3 地球磁层与空间天气之间的因果关系 16
1.2.4 空间天气主导地球高层大气 19
1.2.5 流星和星际尘埃对空间环境的影响 21
1.2.6 空间天气对地球低层大气以及地面的影响 22
1.3 两个空间天气暴的故事 23
1.3.1 空间天气观测的简要历史 23
1.3.2 1859：太阳耀斑的第一次观测和相关的地磁扰动 25
1.3.3 2003：21世纪的极端空间天气 27
1.3.4 空间天气事件等级 30
1.4 洛伦兹力 35
第2章 空间——能量之域 45
2.1 空间中的能量简介 46
2.1.1 系统中能量的物理概念 46
2.1.2 能量的形式与转化 51
2.1.3 能量守恒与熵 63
2.1.4 高速下的能量 65
2.2 空间环境中的能量相互作用 67
2.2.1 粒子和场的能量转移 67
2.2.2 电磁能量转换：电磁波与光子 72
2.3 电磁辐射特征 78
2.3.1 黑体辐射 78
2.3.2 离散谱线吸收和辐射 84
2.3.3 其他辐射源 88
第3章 宁静太阳及其与地球大气的相互作用 97
3.1 宁静的太阳及其内部 98
3.1.1 太阳——我们的磁恒星 98
3.1.2 太阳分层结构 102
3.1.3 对流的太阳 108
3.2 太阳大气 114
3.2.1 太阳低层大气 114
3.2.2 太阳高层大气 120
3.3 宁静太阳的磁场特征 128
3.3.1 多尺度的太阳磁场 128
3.3.2 典型太阳活动周的磁变化 130
3.4 大气的基本物理 134
3.4.1 大气定律 134
3.4.2 大气中的吸收作用 138
第4章 空间中的场和电流 157
4.1 场的介绍 158
4.1.1 场的概念 158
4.1.2 静电场和磁场 164
4.1.3 麦克斯韦方程组 168
4.1.4 电、磁、电磁波能量密度（压强） 177
4.2 电流和电导率 182
4.2.1 电荷守恒、电流连续性及电流密度 182
4.2.2 欧姆定律和电导率 185
4.3 空间环境中的磁行为 188
4.3.1 磁通量冻结 189
4.3.2 发电机的电磁特性 190
4.4 近地空间中的电流和电场 193
4.4.1 近地空间中的电流 193
4.4.2 空间中的电场 197
第5章 宁静太阳风：空间天气的通道 209
5.1 宁静太阳风 210
5.1.1 太阳风等离子体的特性 210
5.1.2 超声速和超阿尔文速的太阳风 218
5.1.3 行星际磁场特征 227
5.1.4 电流片和磁场扇形结构 230
5.2 日球层内太阳风的相互作用 236
5.2.1 太阳风在磁化障碍物周围的减速 237
5.2.2 内行星以外的太阳风 243
第6章 空间中的等离子体 253
6.1 等离子体的特征和行为 254
6.1.1 等离子体行为的定性描述 254
6.1.2 等离子体特征的定义 258
6.2 单粒子动力学I 264
6.2.1 单粒子的加速运动 264
6.2.2 单粒子的非加速运动 269
6.3 热等离子体流体动力学 278
6.3.1 麦克斯韦-玻尔兹曼分布与萨哈方程 278
6.3.2 等离子体中的能量密度 281
6.4 磁化等离子体流体动力学 283
6.4.1 磁流体力学基础 283
6.4.2 磁流体力学的应用 289
6.5 等离子体波基础 291
6.5.1 波的传播 292
6.5.2 等离子体振荡和波动 292
第7章 平静的地球磁层在空间环境和空间天气中的角色 303
7.1 地磁场 304
7.1.1 地磁场的基础知识 304
7.1.2 地磁场坐标系 308
7.2 地磁场结构以及带电粒子种类 314
7.2.1 磁化的地球空间 314
7.2.2 内磁层 318
7.2.3 与远磁尾之间的连接 320
7.3 单粒子动力学 II 324
7.3.1 回旋运动和弹跳运动 324
7.3.2 漂移运动 329
7.4 平静磁层的物理过程 331
7.4.1 日侧磁层顶的形成 331
7.4.2 质量、能量和动量向磁层的输运 334
7.4.3 等离子体层中的捕获过程 342
第8章 地球的平静大气：其在空间环境和空间天气中的作用 355
8.1 地球的中性大气 356
8.2 地球的电离大气 365
8.2.1 瞬态发光事件 365
8.2.2 随高度变化的电离 367
8.2.3 电离层纬度和分层特征 376
8.3 电离层中的电波传播 382
8.3.1 高频电波传播 382
8.3.2 电离层电波传播的物理机制 384
8.4 电离层与其他区域的相互作用 391
8.4.1 平静的高纬电离层与磁层的联系 391
8.4.2 电离层物质外流 397
第9章 活跃的太阳和其他恒星：空间天气的源头 405
9.1 太阳活动周及其起源 406
9.1.1 太阳发电机和它所驱动的运动 406
9.1.2 活动区及其组成 410
9.2 太阳爆发活动 419
9.2.1 磁重构的能量通道 419
9.2.2 耀斑和射电暴 420
9.2.3 日冕物质抛射 429
9.2.4 太阳高能粒子 437
9.3 来自其他恒星的空间天气效应 441
9.3.1 来自宇宙的低能和高能粒子 441
9.3.2 来自宇宙的高能光子 445
第二单元 扰动的空间天气及其物理
第10章 扰动的行星际介质：空间天气的导体 453
10.1 准静态太阳风中的扰动 454
10.1.1 低速太阳风中的准静态结构 454
10.1.2 太阳风中的共转结构 457
10.2 太阳风中的瞬变扰动 464
10.2.1 行星际介质中瞬变事件的特性 464
10.2.2 行星际介质中瞬变事件的对地有效性 469
10.3 来自行星际激波的太阳高能粒子 479
10.3.1 行进激波和太阳高能粒子 479
10.3.2 激波加速机制 486
第11章 扰动的地球磁层及其与太阳风和电离层之间的耦合 497
11.1 磁暴的描述 498
11.1.1 行星际介质和磁暴 498
11.1.2 Dst指数及其与环电流和磁暴相位之间的关系 499
11.2 大尺度磁场扰动 504
11.2.1 来自太阳风的能量 504
11.2.2 与电离层关联的能量耗散过程 507
11.2.3 能量注入捕获区 512
11.3 磁暴期间场和电流的耦合 526
11.3.1 高纬磁层-电离层耦合 526
11.3.2 中纬和低纬磁层的屏蔽 533
第12章 地球大气中的空间天气扰动 541
12.1 高层大气扰动的驱动源 542
12.1.1 典型太阳活动周行为 542
12.1.2 耀斑和快速CME的能量响应 544
12.1.3 磁层能量源 547
12.1.4 坡印廷定理，坡印廷通量和焦耳加热 555
12.2 热层扰动效应 561
12.2.1 内部扰动：热层潮汐和风 561
12.2.2 来自高纬的外部扰动 563
12.2.3 热层中的外流，上涌和成分变化 566
12.3 电离层暴时效应 572
12.3.1 电离层极盖吸收事件 572
12.3.2 电离层暴和扰动特征 574
第三单元 空间天气和空间环境的影响及效应
第13章 近地空间——影响装备与人类之域 591
13.1 粒子和光子的危害及影响 592
13.1.1 粒子辐射环境 592
13.1.2 高能粒子辐射环境对人类和设备的影响 601
13.1.3 高能等离子体、光子以及中性大气对设备的影响 614
13.1.4 航天器阻力 620
13.2 流星体和空间碎片环境造成的撞击和损伤 625
13.2.1 流星体环境 625
13.2.2 空间碎片环境 629
13.3 场变化造成的硬件影响和损伤 633
13.3.1 高能电子 633
13.3.2 地磁场与卫星的相互作用 635
13.3.3 地磁场与地面设备的相互作用 637
13.4 空间天气对系统的影响概述 I 642
第14章 空间天气和空间环境对信号与系统的影响 653
14.1 背景和来自太阳的影响 654
14.1.1 背景电离层的影响 654
14.1.2 信号快速影响 656
14.1.3 突发太阳质子事件产生极盖吸收 663
14.1.4 地磁暴和季节对信号的影响 664
14.2 非太阳因素对电波传播的影响 676
14.2.1 流星的影响 676
14.2.2 磁星影响 677
14.2.3 高空核爆对信号的影响 679
14.3 空间天气对系统的影响概述Ⅱ 681
附录A 美国国家海洋和大气管理局空间天气等级 687
附录B 电磁波与光速 691
附录C 矢量恒等式 692
附录D 物理常数和太阳物理、地球物理常数 693
索引 694