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太空天氣入門 版權(quán)信息
- ISBN：9787030723031
- 條形碼：9787030723031 ; 978-7-03-072303-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù)：暫無(wú)
- 重量：暫無(wú)
- 所屬分類：>
太空天氣入門 本書特色
這本教科書介紹了太陽(yáng)與地球之間的關(guān)系，并說(shuō)明了它如何影響我們的技術(shù)社會(huì)，它從空間天氣的實(shí)踐角度介紹了空間物理學(xué)，并使學(xué)生了解日地關(guān)系。
太空天氣入門 內(nèi)容簡(jiǎn)介
太空天氣（即空間天氣）是空間科學(xué)的一個(gè)新興領(lǐng)域，主要研究日地關(guān)系對(duì)社會(huì)和技術(shù)的影響。太陽(yáng)對(duì)地球的空間環(huán)境有著巨大的影響，它以電磁輻射和粒子輻射的形式釋放出大量的能量，這些輻射有可能損壞或摧毀衛(wèi)星、導(dǎo)航、通信和配電系統(tǒng)，傷害或殺死宇航員。這本教科書介紹了太陽(yáng)和地球之間的關(guān)系，并展示了它如何影響我們的技術(shù)和社會(huì)。 作為首批針對(duì)非理科專業(yè)的太空天氣本科教材之一，本書利用太空天氣的實(shí)踐知識(shí)來(lái)介紹空間物理學(xué)，以幫助學(xué)生了解太陽(yáng)與地球的關(guān)系。全文對(duì)重要的術(shù)語(yǔ)進(jìn)行了定義，每章都包含關(guān)鍵概念、補(bǔ)充和復(fù)習(xí)，以幫助學(xué)生加強(qiáng)理解。這本教科書可以作為空間物理入門課程的理想教材。 馬克·莫德溫曾是加州大學(xué)洛杉磯分校地球與空間科學(xué)系、地球物理與行星物理研究所的空間物理學(xué)教授（現(xiàn)就職于密歇根大學(xué)）。其主要研究領(lǐng)域是磁層和日球?qū)拥入x子體物理，并致力于中小學(xué)生的空間科學(xué)教育和科普活動(dòng)。
太空天氣入門 目錄
目錄
譯者序
原書前言
致謝
**章 什么是太空天氣？ 1
1.1 關(guān)鍵概念 1
1.2 導(dǎo)言 1
1.3 太空天氣簡(jiǎn)史 4
1.4 太空天氣對(duì)社會(huì)的影響 12
1.5 補(bǔ)充材料 12
1.6 問(wèn)題與思考 15
第二章 多變的太陽(yáng) 16
2.1 關(guān)鍵概念 16
2.2 導(dǎo)言 16
2.3 溫度和熱量 18
2.4 輻射和對(duì)流 18
2.5 太陽(yáng)的結(jié)構(gòu) 19
2.6 動(dòng)力學(xué)過(guò)程 25
2.7 補(bǔ)充材料——電磁波譜和輻射 29
2.8 問(wèn)題與思考 33
第三章 日球?qū)?34
3.1 關(guān)鍵概念 34
3.2 導(dǎo)言 34
3.3 日冕和太陽(yáng)風(fēng) 35
3.4 行星際磁場(chǎng) 36
3.5 日冕物質(zhì)拋射 38
3.6 外日球?qū)?39
3.7 宇宙射線 39
3.8 補(bǔ)充材料——如何描述運(yùn)動(dòng)？ 41
3.9 問(wèn)題與思考 45
第四章 地球的空間環(huán)境 46
4.1 關(guān)鍵概念 46
4.2 導(dǎo)言 46
4.3 偶極磁場(chǎng) 46
4.4 內(nèi)磁層結(jié)構(gòu) 48
4.5 太陽(yáng)風(fēng)和磁層的相互作用 50
4.6 磁重聯(lián) 51
4.7 磁尾 52
4.8 等離子片對(duì)流 52
4.9 磁層動(dòng)力學(xué) 53
4.10 補(bǔ)充材料 56
4.11 問(wèn)題與思考 60
第五章 地球高層大氣 62
5.1 關(guān)鍵概念 62
5.2 導(dǎo)言 62
5.3 熱層 63
5.4 電離層 65
5.5 電離層結(jié)構(gòu) 66
5.6 電離層變化 67
5.7 極光 67
5.8 對(duì)通信的影響 69
5.9 補(bǔ)充材料 70
5.10 問(wèn)題與思考 70
第六章 太空風(fēng)暴對(duì)技術(shù)的影響 72
6.1 關(guān)鍵概念 72
6.2 導(dǎo)言 72
6.3 衛(wèi)星軌道 73
6.4 對(duì)衛(wèi)星的輻射效應(yīng) 75
6.5 無(wú)線電通信和導(dǎo)航受到的影響 77
6.6 地面系統(tǒng)受到的影響 79
6.7 補(bǔ)充材料 80
6.8 問(wèn)題與思考 84
第七章 在太空生活的風(fēng)險(xiǎn) 86
7.1 關(guān)鍵概念 86
7.2 導(dǎo)言 86
7.3 輻射 87
7.4 長(zhǎng)期太空旅行的難題 92
7.5 在月球和火星上生活 94
7.6 星際旅行 95
7.7 補(bǔ)充材料 95
7.8 問(wèn)題與思考 99
第八章 其他太空天氣現(xiàn)象 100
8.1 關(guān)鍵概念 100
8.2 導(dǎo)言 100
8.3 氣候變化和太空天氣的關(guān)系 101
8.4 小行星和彗星撞擊 103
8.5 附近的超新星 104
8.6 補(bǔ)充材料 105
8.7 問(wèn)題與思考 108
參考文獻(xiàn) 109
閱讀推薦 110
附錄A 網(wǎng)絡(luò)資源 112
附錄B 國(guó)際單位制 114
附錄C 國(guó)際單位制前綴（詞頭） 115
彩圖
Contents
Translator’s preface
Original book preface
Acknowledgments
1 What is space weather? 1
1.1 Key concepts 1
1.2 Introduction 1
1.3 Brief history 4
1.4 Impacts of space weather on society 12
1.5 Supplements 12
1.6 Problems and thoughts 15
2 Variable Sun 16
2.1 Key concepts 16
2.2 Introduction 16
2.3 Temperature and heat 18
2.4 Radiation and convection 18
2.5 Solar structure 19
2.6 Dynamics and processes 25
2.7 Supplements — electromagnetic spectrum and radiation 29
2.8 Problems and thoughts 33
3 Heliosphere 34
3.1 Key concepts 34
3.2 Introduction 34
3.3 Corona and the solar wind 35
3.4 Interplanetary magnetic field 36
3.5 Coronal mass ejections 38
3.6 Outer heliosphere 39
3.7 Cosmic rays 39
3.8 Supplements——how do we describe motion? 41
3.9 Problems and thoughts 45
4 Earth’s space environment 46
4.1 Key concepts 46
4.2 Introduction 46
4.3 Dipole magnetic field 46
4.4 Structure of the inner magnetosphere 48
4.5 Interaction of the solar wind and magnetosphere 50
4.6 Magnetic reconnection 51
4.7 Magnetotail 52
4.8 Plasma sheet convection 52
4.9 Dynamics of the magnetosphere 53
4.10 Supplements 56
4.11 Problems and thoughts 60
5 Earth’s upper atmosphere 62
5.1 Key concepts 62
5.2 Introduction 62
5.3 Thermosphere 63
5.4 Ionosphere 65
5.5 Ionospheric structure 66
5.6 Ionospheric variations 67
5.7 Aurora 67
5.8 Impacts on communication 69
5.9 Supplements 70
5.10 Problems and thoughts 70
6 The technological impacts of space storms 72
6.1 Key concepts 72
6.2 Introduction 72
6.3 Satellite orbits 73
6.4 Radiation impacts on satellites 75
6.5 Radio communication and navigation impacts 77
6.6 Ground system impacts 79
6.7 Supplements 80
6.8 Problems and thoughts 84
7 The perils of living in space 86
7.1 Key concepts 86
7.2 Introduction 86
7.3 Radiation 87
7.4 Problems of long-duration space travel 92
7.5 Living on the Moon and Mars 94
7.6 Interstellar travel 95
7.7 Supplements 95
7.8 Problems and thoughts 99
8 Other space weather phenomena 100
8.1 Key concepts 100
8.2 Introduction 100
8.3 Climate variability and space weather 101
8.4 Asteroid and comet impacts 103
8.5 Nearby supernova 104
8.6 Supplements 105
8.7 Problems and thoughts 108
References 109
Recommended reading 110
Appendix A: Web resources 112
Appendix B: SI units 114
Appendix C: SI prefixes 115
Color plate section 116
譯者序
原書前言
致謝
**章 什么是太空天氣？ 1
1.1 關(guān)鍵概念 1
1.2 導(dǎo)言 1
1.3 太空天氣簡(jiǎn)史 4
1.4 太空天氣對(duì)社會(huì)的影響 12
1.5 補(bǔ)充材料 12
1.6 問(wèn)題與思考 15
第二章 多變的太陽(yáng) 16
2.1 關(guān)鍵概念 16
2.2 導(dǎo)言 16
2.3 溫度和熱量 18
2.4 輻射和對(duì)流 18
2.5 太陽(yáng)的結(jié)構(gòu) 19
2.6 動(dòng)力學(xué)過(guò)程 25
2.7 補(bǔ)充材料——電磁波譜和輻射 29
2.8 問(wèn)題與思考 33
第三章 日球?qū)?34
3.1 關(guān)鍵概念 34
3.2 導(dǎo)言 34
3.3 日冕和太陽(yáng)風(fēng) 35
3.4 行星際磁場(chǎng) 36
3.5 日冕物質(zhì)拋射 38
3.6 外日球?qū)?39
3.7 宇宙射線 39
3.8 補(bǔ)充材料——如何描述運(yùn)動(dòng)？ 41
3.9 問(wèn)題與思考 45
第四章 地球的空間環(huán)境 46
4.1 關(guān)鍵概念 46
4.2 導(dǎo)言 46
4.3 偶極磁場(chǎng) 46
4.4 內(nèi)磁層結(jié)構(gòu) 48
4.5 太陽(yáng)風(fēng)和磁層的相互作用 50
4.6 磁重聯(lián) 51
4.7 磁尾 52
4.8 等離子片對(duì)流 52
4.9 磁層動(dòng)力學(xué) 53
4.10 補(bǔ)充材料 56
4.11 問(wèn)題與思考 60
第五章 地球高層大氣 62
5.1 關(guān)鍵概念 62
5.2 導(dǎo)言 62
5.3 熱層 63
5.4 電離層 65
5.5 電離層結(jié)構(gòu) 66
5.6 電離層變化 67
5.7 極光 67
5.8 對(duì)通信的影響 69
5.9 補(bǔ)充材料 70
5.10 問(wèn)題與思考 70
第六章 太空風(fēng)暴對(duì)技術(shù)的影響 72
6.1 關(guān)鍵概念 72
6.2 導(dǎo)言 72
6.3 衛(wèi)星軌道 73
6.4 對(duì)衛(wèi)星的輻射效應(yīng) 75
6.5 無(wú)線電通信和導(dǎo)航受到的影響 77
6.6 地面系統(tǒng)受到的影響 79
6.7 補(bǔ)充材料 80
6.8 問(wèn)題與思考 84
第七章 在太空生活的風(fēng)險(xiǎn) 86
7.1 關(guān)鍵概念 86
7.2 導(dǎo)言 86
7.3 輻射 87
7.4 長(zhǎng)期太空旅行的難題 92
7.5 在月球和火星上生活 94
7.6 星際旅行 95
7.7 補(bǔ)充材料 95
7.8 問(wèn)題與思考 99
第八章 其他太空天氣現(xiàn)象 100
8.1 關(guān)鍵概念 100
8.2 導(dǎo)言 100
8.3 氣候變化和太空天氣的關(guān)系 101
8.4 小行星和彗星撞擊 103
8.5 附近的超新星 104
8.6 補(bǔ)充材料 105
8.7 問(wèn)題與思考 108
參考文獻(xiàn) 109
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附錄A 網(wǎng)絡(luò)資源 112
附錄B 國(guó)際單位制 114
附錄C 國(guó)際單位制前綴（詞頭） 115
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Translator’s preface
Original book preface
Acknowledgments
1 What is space weather? 1
1.1 Key concepts 1
1.2 Introduction 1
1.3 Brief history 4
1.4 Impacts of space weather on society 12
1.5 Supplements 12
1.6 Problems and thoughts 15
2 Variable Sun 16
2.1 Key concepts 16
2.2 Introduction 16
2.3 Temperature and heat 18
2.4 Radiation and convection 18
2.5 Solar structure 19
2.6 Dynamics and processes 25
2.7 Supplements — electromagnetic spectrum and radiation 29
2.8 Problems and thoughts 33
3 Heliosphere 34
3.1 Key concepts 34
3.2 Introduction 34
3.3 Corona and the solar wind 35
3.4 Interplanetary magnetic field 36
3.5 Coronal mass ejections 38
3.6 Outer heliosphere 39
3.7 Cosmic rays 39
3.8 Supplements——how do we describe motion? 41
3.9 Problems and thoughts 45
4 Earth’s space environment 46
4.1 Key concepts 46
4.2 Introduction 46
4.3 Dipole magnetic field 46
4.4 Structure of the inner magnetosphere 48
4.5 Interaction of the solar wind and magnetosphere 50
4.6 Magnetic reconnection 51
4.7 Magnetotail 52
4.8 Plasma sheet convection 52
4.9 Dynamics of the magnetosphere 53
4.10 Supplements 56
4.11 Problems and thoughts 60
5 Earth’s upper atmosphere 62
5.1 Key concepts 62
5.2 Introduction 62
5.3 Thermosphere 63
5.4 Ionosphere 65
5.5 Ionospheric structure 66
5.6 Ionospheric variations 67
5.7 Aurora 67
5.8 Impacts on communication 69
5.9 Supplements 70
5.10 Problems and thoughts 70
6 The technological impacts of space storms 72
6.1 Key concepts 72
6.2 Introduction 72
6.3 Satellite orbits 73
6.4 Radiation impacts on satellites 75
6.5 Radio communication and navigation impacts 77
6.6 Ground system impacts 79
6.7 Supplements 80
6.8 Problems and thoughts 84
7 The perils of living in space 86
7.1 Key concepts 86
7.2 Introduction 86
7.3 Radiation 87
7.4 Problems of long-duration space travel 92
7.5 Living on the Moon and Mars 94
7.6 Interstellar travel 95
7.7 Supplements 95
7.8 Problems and thoughts 99
8 Other space weather phenomena 100
8.1 Key concepts 100
8.2 Introduction 100
8.3 Climate variability and space weather 101
8.4 Asteroid and comet impacts 103
8.5 Nearby supernova 104
8.6 Supplements 105
8.7 Problems and thoughts 108
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Recommended reading 110
Appendix A: Web resources 112
Appendix B: SI units 114
Appendix C: SI prefixes 115
Color plate section 116
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太空天氣入門 節(jié)選
**章 什么是太空天氣？ “太空天氣”（又譯為“空間天氣”）是指發(fā)生在太陽(yáng)、太陽(yáng)風(fēng)、磁層、電離層和熱層中的一些現(xiàn)象，它們會(huì)影響太空和地面技術(shù)系統(tǒng)的性能和可靠性，并可能危及人類的生命或健康。太空環(huán)境中的不利條件可能導(dǎo)致衛(wèi)星運(yùn)行、通信、導(dǎo)航和配電網(wǎng)等系統(tǒng)的中斷，造成各種社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。 ——美國(guó)《國(guó)家空間天氣戰(zhàn)略計(jì)劃》，1995年。聯(lián)邦氣象服務(wù)和研究支持協(xié)調(diào)辦公室，F(xiàn)CM-P30-1995，華盛頓特區(qū)。 1.1 關(guān)鍵概念 ●太空天氣（空間天氣，space weather） ●氣候（climate） ●氣象學(xué)（meteorology） ●地球大氣層（Earth’s atmosphere） 1.2 導(dǎo)言 自20世紀(jì)50年代末以來(lái)，我們邁入了航天文明時(shí)代。借助機(jī)器人和載人航天器，我們已開始對(duì)太陽(yáng)系進(jìn)行探測(cè)。人們現(xiàn)已了解到，我們被包圍在一個(gè)充滿活力、強(qiáng)烈活動(dòng)的太陽(yáng)的大氣層中，太陽(yáng)不僅為地球上的生命提供能量，也會(huì)對(duì)其衛(wèi)星和通信系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞。太空天氣是空間科學(xué)的新興領(lǐng)域，研究太陽(yáng)如何影響地球的空間環(huán)境以及這種相互作用的技術(shù)和社會(huì)影響——對(duì)地球軌道衛(wèi)星的損害或毀壞、對(duì)宇航員（在執(zhí)行月球、火星和地球長(zhǎng)期飛行任務(wù)期間）的安全威脅以及對(duì)全球通信和導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性的影響。 現(xiàn)代社會(huì)依賴于對(duì)天氣的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)（溫度、濕度、降雨等的日常變化）和對(duì)氣候的理解（長(zhǎng)期天氣趨勢(shì)），以促進(jìn)商業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、能源政策的發(fā)展及緩解自然災(zāi)害。認(rèn)知天氣的科學(xué)——?dú)庀髮W(xué)是人類為了理解自然環(huán)境而做的昀長(zhǎng)久的巨大努力之一。與氣象學(xué)一樣，太空天氣學(xué)的目的也是了解和預(yù)測(cè)氣候和天氣，但是聚焦于外層空間。其實(shí)幾千年來(lái)太空風(fēng)暴一直肆虐在我們的頭頂上，只是我們不曾感知。但隨著太空時(shí)代的到來(lái)，人們開始注意到惡劣太空天氣的破壞力。 和普通天氣一樣，太空天氣也起源于太陽(yáng)。這兩種天氣的主要區(qū)別在于發(fā)生的區(qū)域以及影響它們的太陽(yáng)能量類型不同。普通天氣關(guān)注的區(qū)域從地球表面延伸到昀高云層的頂部，即大約距地球表面10km處。而太空天氣關(guān)注的區(qū)域從地球一直延伸到太陽(yáng)周圍的太空環(huán)境（譯者注：隨著深空探測(cè)的發(fā)展，其他行星例如土星、木星、天王星等附近的太空天氣也日益受到關(guān)注）。太空開始于地球大氣層的一個(gè)區(qū)域，我們稱之為熱層，其起點(diǎn)高度距地球表面約為100km。航天飛機(jī)和太空站在距地球表面大約350km的高度飛行，彩圖1顯示了航天飛機(jī)拍攝的地球大氣層圖片。在距地球表面大約100km處，地球大氣的藍(lán)色與太空的黑色形成了鮮明的對(duì)比。 普通天氣和太空天氣的第二個(gè)區(qū)別是影響這兩個(gè)區(qū)域的太陽(yáng)能量類型不同。太陽(yáng)不斷向太空發(fā)射兩種主要的能量：電磁輻射和微粒輻射。可見(jiàn)光、無(wú)線電波、微波、紅外線、紫外線、 X射線和伽馬射線是電磁輻射的形式，太陽(yáng)的這些電磁輻射以約1400W/m2①的能量澆灌著地球大氣層頂部，并不均勻地加熱著低層大氣、地表和海洋。風(fēng)就是由這些大氣溫度的差異驅(qū)動(dòng)的。 太陽(yáng)還不斷地發(fā)射微粒（微小的顆粒，minute particle）輻射，帶電原子和亞原子粒子（主要是質(zhì)子和電子）形成所謂的太陽(yáng)風(fēng)。像地球上的風(fēng)一樣，太陽(yáng)風(fēng)也是由溫度差異驅(qū)動(dòng)的，但這些差異體現(xiàn)在太陽(yáng)高層大氣和行星際空間之間。太陽(yáng)風(fēng)攜帶著太陽(yáng)磁場(chǎng)擴(kuò)展到整個(gè)太陽(yáng)系，形成了一個(gè)被稱為日球?qū)樱℉eliosphere，“helios”是希臘語(yǔ)中太陽(yáng)的意思）的星際空間區(qū)域。 太陽(yáng)風(fēng)既不穩(wěn)定也不均勻，在不斷地變化著。這些變化以多種方式影響地球的空間環(huán)境，包括產(chǎn)生新的微粒輻射轟擊地球高層大氣，造成極光（北極光和南極光）和強(qiáng)電流，并干擾通信、電網(wǎng)和衛(wèi)星導(dǎo)航。 太陽(yáng)表面偶爾會(huì)產(chǎn)生噴發(fā)現(xiàn)象并使得很大一部分太陽(yáng)大氣以很高的速度流出。這種現(xiàn)象被稱為日冕物質(zhì)拋射（coronal mass ejections，CMEs），每次拋射1×1012kg的物質(zhì)（相當(dāng)于25萬(wàn)艘航空母艦），能夠以超過(guò)1000km/s的速度離開太陽(yáng)（彩圖2）。如果 CMEs是向地球運(yùn)動(dòng)的，一場(chǎng)巨大的太空風(fēng)暴會(huì)在我們頭頂上發(fā)生，使衛(wèi)星癱瘓，導(dǎo)致飛機(jī)機(jī)組人員和乘客經(jīng)受的輻射照射量增加，使某些波長(zhǎng)的無(wú)線電通信受阻，并破壞地球上的電力系統(tǒng)。 這些太空風(fēng)暴，就如2005年的卡特里娜颶風(fēng)等氣象風(fēng)暴一樣，曾對(duì)技術(shù)系統(tǒng)造成過(guò)嚴(yán)重破壞。1989年3月，一個(gè)大型的 CME撞擊地球，導(dǎo)致加拿大東部大面積停電。新興的太空天氣學(xué)試圖了解太空風(fēng)暴的成因及其對(duì)地球上科技基礎(chǔ)設(shè)施的影響，我們希望能夠預(yù)測(cè)太空天氣并降低損害。 科學(xué)中一些專有技術(shù)名詞的起源 古希臘人認(rèn)為天空是圍繞地球的同心球體，行星（希臘語(yǔ)中的流浪者）、太陽(yáng)和月亮在它們各自的天球上移動(dòng)，而星星則在它們后面的天球上以固定步伐移動(dòng)。科學(xué)借用了這一世界觀，命名行星和太陽(yáng)的同心區(qū)域時(shí)使用希臘語(yǔ)的前縀加上希臘語(yǔ)后縀“球體”（sphere）（譯者注：中文譯為“圈”或“層”）。地球的巖石表面通常被稱為巖石圈（lithosphere，“l(fā)itho”的意思是石頭），地球上水的總稱為水圈（hydrosphere，“hydro”的意思是水），存在生命的區(qū)域?yàn)樯锶Γ╞iosphere，“bio”的意思是生命）。包圍地球的一層氣體被稱為大氣層[atmosphere，“atmos”的意思是蒸氣（vapor）或氣態(tài)]。大氣被進(jìn)一步分為多個(gè)子區(qū)域，如表1.1中所示。層之間的邊界稱為“頂（pause）”（譯者注：英文原意為“暫停”，例如，對(duì)流層和平流層之間的邊界是對(duì)流層頂，tropopause）。后幾章將再介紹幾個(gè)其他“層”和“頂”。圖1.1顯示大氣層各個(gè)子層隨高度的分布情況。需要注意的是，每個(gè)層具有不同的溫度隨高度變化的廓線。例如，對(duì)流層的溫度隨著高度的升高而降低，而平流層的溫度隨著高度的升高而升高。 表1.1 用于地球大氣層不同區(qū)域的前綴 圖1.1 地球大氣層的垂直溫度分布 虛線表示溫度隨高度的變化。各個(gè)區(qū)域由溫度隨高度變化的趨勢(shì)決定（該圖出自 Cislunar Aerospace公司） 1.3 太空天氣簡(jiǎn)史 針對(duì)太空天氣的研究始于對(duì)三種自然現(xiàn)象——極光（也稱為北極光或南極光）、地球磁場(chǎng)和太陽(yáng)黑子（在太陽(yáng)表面觀測(cè)到的黑暗區(qū)域）的系統(tǒng)觀測(cè)。盡管對(duì)極光的系統(tǒng)研究直到16世紀(jì)才開始，但因?yàn)闃O光可以用肉眼看到，所以已經(jīng)被觀察了幾千年。在17世紀(jì)初，靈敏的指南針和望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)使得針對(duì)地球磁場(chǎng)和太陽(yáng)黑子本質(zhì)的探索成為可能。 研究太空天氣可以追溯這三種現(xiàn)象相互關(guān)聯(lián)的根源。**次試探性溯源工作是在19世紀(jì)中葉開展的。一百多年來(lái)，我們逐漸擴(kuò)展了對(duì)太陽(yáng)和地球空間環(huán)境的了解，并由此開始發(fā)展連接太陽(yáng)和地球的物理模型。本節(jié)簡(jiǎn)要介紹了這些關(guān)聯(lián)的發(fā)現(xiàn)史，并介紹了一些引導(dǎo)我們理解日地關(guān)系的科學(xué)家。正如其他科學(xué)領(lǐng)域一樣，發(fā)展太空天氣領(lǐng)域與我們理解物理和化學(xué)以及開發(fā)新技術(shù)等的目標(biāo)一致——使我們能夠“看到”“看不見(jiàn)”的東西（由于太小或太遠(yuǎn)而無(wú)法用肉眼看到，或超出了我們的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)或感知的能力范圍的事物，例如無(wú)線電波和磁場(chǎng)）。附錄A提供了一個(gè)網(wǎng)站，詳細(xì)記錄了我們對(duì)太空天氣認(rèn)知的時(shí)間表。 1.3.1 極光 我們的祖先很早就觀測(cè)到了極光（aurorae）。但直到18世紀(jì)，大多數(shù)關(guān)于極光的論述都來(lái)自那些可能從未觀察過(guò)極光的人對(duì)極光起源的猜測(cè)。這些猜測(cè)通常跟從了亞里士多德（Aristotle，公元前384—前322年）認(rèn)為極光是燃燒的火焰的想法，或勒內(nèi) 笛卡兒（René Descartes，1596—1650年）認(rèn)為極光是被冰晶或雪晶反射的月光或陽(yáng)光的想法。對(duì)極光的系統(tǒng)性觀測(cè)始于16世紀(jì)。有史以來(lái)昀偉大的天文學(xué)家之一第谷 布拉赫（Tycho Brahe，1546—1601年）記錄了1582年至1598年間在烏拉尼堡天文臺(tái)（丹麥）發(fā)生的極光。他發(fā)現(xiàn)極光出現(xiàn)的次數(shù)每年都在變化，但沒(méi)有記錄到任何系統(tǒng)或規(guī)律的變化。1621年9月12日，來(lái)自法國(guó)南部的天文學(xué)家皮埃爾 加森迪（Pierre Gassendi，1592—1655年）和來(lái)自威尼斯的伽利略①觀測(cè)到了相同的極光。加森迪稱之為北極光（lights aurorae， aurora borealis，或拉丁語(yǔ)的 northern dawn），這個(gè)名字自那以后一直與極區(qū)出現(xiàn)的光（polar lights）聯(lián)系在一起。他指出，極光必須發(fā)生在地球大氣層中很高的地方，這樣才能使相隔很遠(yuǎn)的觀測(cè)者看到同樣的現(xiàn)象。 在18世紀(jì)，許多觀察報(bào)告開始闡釋極光的起源。法國(guó)人讓-雅克 德奧爾圖爾 德邁蘭（Jean-Jacques d’Ortour de Mairan，1678—1771年）在1726年首次粗略測(cè)量了極光高度，其結(jié)果與加森迪關(guān)于極光發(fā)生在高層大氣的觀察報(bào)告一致。英國(guó)科學(xué)家亨利 卡文迪什（Henry Cavendish，1731—1810年）在1790年使用三角測(cè)量方法正確地估計(jì)極光高度為80—112km。然而，這些研究對(duì)極光高度的估計(jì)仍有很大的不確定性。直到1900年左右，挪威科學(xué)家卡爾 斯托默（Carl St.rmer，1874—1957年）才使用攝影技術(shù)準(zhǔn)確地測(cè)量了極光高度。 1773年2月17日，詹姆斯 庫(kù)克（James Cook）船長(zhǎng)在南緯58°附近的印度洋上觀測(cè)到極光，成為**個(gè)觀測(cè)南極光（他稱之為 aurora australis）的歐洲人。他在航海日志中寫道：“在天空中可以看到亮光，類似于那些存在于北半球的光，它們以北極光這個(gè)名稱而聞名。” 在19世紀(jì)，隨著極地探險(xiǎn)家報(bào)告的匯編，極光在以北極和南極為中心的大型橢圓內(nèi)的分布變得清晰。約翰 富蘭克林（John Franklin）船長(zhǎng)確定了極光觀測(cè)到的次數(shù)在靠近極點(diǎn)時(shí)減少的規(guī)律，暗示著存在一個(gè)極光區(qū)。他后來(lái)在試圖尋找西北航道時(shí)與船員一起不幸遇難。1833年，德國(guó)地理學(xué)家喬治 威廉 蒙克（Georg Wilhelm Muncke，1772—1847年）指出，存在一個(gè)極光發(fā)生率昀大的區(qū)域，它的緯度范圍是有限的。1860年，耶魯大學(xué)的伊萊亞斯 盧米斯（Elias Loomis，1811—1888年）教授發(fā)表了**張顯示了極光昀常見(jiàn)區(qū)域的北極地圖（圖1.2）。 圖1.2 盧米斯教授19世紀(jì)晚期研究得到的極光橢圓形 需要注意的是，極光發(fā)生的區(qū)域圍繞著極點(diǎn)，但不是在極點(diǎn)（Loomis，1869） 因此，到19世紀(jì)中葉，人們已經(jīng)知道一些關(guān)于極光的事實(shí)：它們發(fā)生在南北兩極地區(qū)的橢圓帶中，且位于高層大氣中。針對(duì)極光產(chǎn)生原因的探索仍在進(jìn)行中。 1.3.2 地磁場(chǎng) 1088年，中國(guó)百科全書式作家沈括（1031—1095年）首次描述了指南針：“以磁磄針鋒，則能指南。”來(lái)自圣奧爾本斯的亞歷山大 內(nèi)翰（Alexander Neckham，1157—1217年）在1187年出版了他的《事物的本質(zhì)》一書，成為了**個(gè)描述指南針的歐洲人。內(nèi)翰可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)通過(guò)絲綢之路從中國(guó)傳到西歐的中國(guó)指南針。1576年，羅伯特 諾曼（Robert Norman）發(fā)現(xiàn)地球磁場(chǎng)存在一個(gè)垂直的分量，并
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