电离层物理  071M4009H

学期:2017—2018学年(春)第二学期 | 课程属性:专业核心课 | 任课教师:刘立波,任志鹏,陈一定,乐会军
授课时间: 星期五, 第5、6、7节
授课地点: 教2-423
授课周次: 1、2、3、4、7、8、10、12、13、15、16
授课时间: 星期三, 第1、2、3节
授课地点: 教2-423
授课周次: 1、2、3、4、7、8、10、12、13、15
课程编号: 071M4009H 课时: 63 学分: 4.0
课程属性: 专业核心课 主讲教师:刘立波,任志鹏,陈一定,乐会军
英文名称: Ionospheric Physics

教学目的、要求

本课程是为空间物理、空间天气、大气物理、电波传播、测绘和地震学等专业研究生开设的基础课。课程重点讲述电离层的结构、基本物理过程和典型变化特征,电离层探测原理与应用,以及电离层与日地空间各圈层的相互作用等基础性内容。具体内容包括高层大气结构与动力学,电离层的形成、结构与变化形态,电离层动力学与电动力学过程,电离层探测原理与应用,电离层领域的研究进展等。课程开设旨在让学生认识高层大气/电离层的结构和相关物理过程,了解高层大气/电离层的主要变化性、相关应用、研究新进展和存在的主要科学问题。

预修课程

电磁学/电动力学、高等数学

教 材

(1)	熊年禄等编,电离层物理概论,武汉大学出版社
(2)	SCHUNK, R. W. and A. F. NAGY, Ionospheres, Second Edition, CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS, 2009
(3)	Rishbeth, H., and O. K. Garriott, Introduction to Ionospheric Physics, New York: Academic Press, 1969.

主要内容

第一章	(3学时)引言
讲述电离层的定义,电离层研究简史与研究兴趣的迁移;
地球电离层-磁层-太阳风-日冕系统的整体图像;
电离层在空间活动中的重要性,电离层在基础研究和应用方面的意义。
第二章	(6学时)高层大气结构
地球高层大气的基本结构及命名系统;
高层大气成分、密度、温度结构和静力学平衡;
热层大气的热过程、热平衡和热结构;
基本的流体力学方程组;
声重力波、大气潮汐与行星波(波的激发和传播特性,色散关系);
热层风与环流结构。
第三章	(3学时)电离层的形成理论(教学重点)
电离层的电离形成理论,包括太阳辐射概况、太阳辐射和粒子辐射导致的电离规律。认识Chapman产生率。
第四章	(6学时)电离层的平衡与形态(教学重点)
电离层的基本分区;
主要的化学反应框架,光化平衡;
电子和离子的输运(双极扩散)、F层峰的形成;
气辉与极光;
电离层日变化、季节变化和太阳活动变化等气候学变化形态,以及电离层的纬度、高度和经度结构;
电离层异常现象,包括赤道异常,季节变化中的冬季异常、半年异常和非季节异常,夜间增强(含威得海异常)和日间“咬失”现象。
第五章	(6学时)电离层动力学(教学重点、难点)
粒子碰撞过程及影响;
带电粒子在外力作用下的运动特征,重点在风场和电场的作用;
热层风对电离层F 区的效应;
声重力波和电离层行扰(TIDs),电离层和热层的动力学耦合。
第六章	(6学时)电离层电动力学(教学重点、难点)
电离层电导率张量及一般表述,层电导率;
电离层电流体系(电集流和Sq 电流);
电离层电场与发电机理论;
电场特征及电势沿磁力线的映射。
第七章	(6学时)电离层中的电磁波,电离层探测
电离气体中电磁波传播的一般理论;
电离层探测--测高仪,Faraday和Doppler 效应;
非相干散射和TEC测量;
电离层对无线电波传播的影响,全球导航卫星系统(北斗、GPS)探测提取电离层信息原理及导航定位的电离层修正。
第八章	(6学时)电离层不规则体及其形成机制(教学难点)
电离层不规则结构的地面观测和卫星观测,效应简介;
中纬度突发E层(Es)及风剪切形成理论;
赤道电离层E 区的双流和梯度漂移不稳定性;
扩展F 层(Spread-F)和Rayleigh-Taylor 不稳定性;
电离层等离子体不稳定性的数值模拟和非线性研究。
第九章	(7学时)太阳活动与电离层扰动
太阳耀斑和日冕物质抛射;电离层耀斑效应;电离层突然扰动及其分类、形态和机制;
电离层暴在不同纬度、季节、地方时的特征及其机理;重要的暴理论;
电离层扰动对电波传播的影响。
第十章	(6学时)电离层当前研究进展
电离层与日地空间多圈层的相互耦合;
电离层扰动和低层大气的联系;
电离层模式化及剖面表达;
行星电离层等的研究新进展。
知识点梳理:(3学时)
考试:(2学时)

参考文献

(1)	Kelley, M., The Earth’s Ionosphere, Plasma Physics and Electrodynamics, The Earth’s Ionosphere, 2nd Edition, Academic Press, 2009
(2)	Banks, P. M., and G. Kockarts, Aeronomy, New York: Academic Press, 1973.
(3)	Rees, M. H., Physics and Chemistry of the Upper Atmosphere, Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1989.
(4)	Prolss, Gerd W., Physics of the Earth’s Space Environment, Springer, 2004