空间等离子体环境效应.pptVIP

等离子体环境与航天器带电

一、等离子体概述

1、等离子体的定义等离子体是由带电粒子组成（也可包括部分中性粒子），在电磁力作用下表现出集体行为的一种准中性物质，被称为物质的第四态。按聚集态形式划分，物质有四种形态：固态：粒子间的结合最紧密，粒子被结合力（离子键、共价键、分子键、金属键）规则地聚集在一起，形成空间点阵。粒子被束缚在固定位置，不能随便移动。液态：物质从外界获得的能量超过固态物质空间点阵的结合能，空间点阵结构被破坏，粒子仅在很小范围内、短暂时间中排列保持一定规则性，叫做近程有序，粒子具有流动性。气态：物质从外界获得的能量超过液态物质粒子的结合能，粒子的结合键被破坏，粒子处于无序、各向同性的特点。等离子体态：物质从外界获得的能量超过气态物质粒子的电离能，部分电子脱离带正电离子的束缚，即原子或分子发生电离。2、等离子体的特点气体电离态粒子比例需要大于千分之一以上直到完全电离；电离气体的电子和离子正负电荷数量相等，对外宏观上呈电中性；电离气体介质会受到外加电磁场的支配和约束，在电磁场作用下会出现复杂的电导率或介电常数等。不是由电子或离子单独存在时所具有的特性的简单迭加，表现出由“电子气”和“离子气”混合、共同存在时所表现出的一种“集体”特性；由此可知，不是任何电离气体都能被称为等离子体。3、等离子体的主要参数与特性（1）等离子体密度单位体积中的粒子数。（2）等离子体温度由分子运动论可知，处于热平衡的气体，其粒子的速度分布为麦克斯威分布。（3）德拜半径等离子体是有足够多的电荷数目且电子、离子数目基本相等的集合体，在宏观上保持电中性。每个带电粒子周围都存在库仑电场，该电场被周围粒子的电场完全屏蔽，这种屏蔽被称作德拜屏蔽，被屏蔽粒子场所占的空间尺度叫德拜半径?D，以?D为半径的球空间叫做德拜球。在r??D的德拜球内，库仑力起主要作用，电中性概念无效，出现电中性偏离。在德拜球外，库仑力迅速消失，德拜势起主要作用，呈现电中性。（4）等离子体频率德拜半径描述了等离子体保持电中性的空间尺度，振荡频率则描述了等离子体保持电中性的时间尺度。它表征了等离子体内产生不均匀电荷起伏，自身恢复电中性的能力。恢复电中性的作用驱使电荷做集体运动，这种运动在耗散不大或无耗散时，一般在平衡位置处停不下来，造成在平衡位置处的等离子体振荡。其物理意义是：在一个振荡周期内看，等离子体出现电中性偏移，在超过振荡周期的一段时间内的宏观效果看，等离子体呈现电中性。（5）特征长度L在特征长度的线度范围内，等离子体的物理参数没有大的变化，只有缓慢变化。（7）双极扩散当等离子体密度不均匀时，等离子体的粒子会在浓度梯度作用下发生扩散现象。因为me??mi，电子扩散速度比离子扩散速度要快。当电子和离子因扩散速度不同而分开时，就破坏了电中性条件，必然会等效建立一个空间电场E，这个电场会阻止电子扩散而加速离子扩散，达到稳定就使电子和离子一起扩散，这就是双极扩散。这种共同扩散的扩散系数称为双极扩散系数。双极扩散现象就是等离子体“集体”特性的具体表现。双极扩散原理在实际中有广泛的应运，例如利用双极扩散产生稀薄的等离子体。二、空间等离子体环境

1、?空间等离子体的形成太阳和恒星都是热的几乎全部是电离的，星际空间由于恒星辐射的作用，也是电离的，地球上空从60km开始，残余大气也开始电离，这就意味着宇宙空间充满了等离子体。在太阳系，空间等离子体的形成主要来源于太阳。太阳是影响日地空间的电磁辐射和粒子辐射的来源。太阳的活动性改变了太阳的辐射和粒子输出，造成日地空间等离子体环境的相应变化。太阳内部分日核、辐射区、界面层、对流区4部分，太阳的能量在太阳的日核中产生。在日核中，温度高达1.56?107K,密度高达151g/cm3,因而发生H聚变为He的核聚变反应。生成物比反应物的质量小3%，根据爱因斯坦方程E=mc2,这个质量差值转化为能量。产生的能量被带到太阳表面，在那里以光和热的形式，连同日冕物质抛射的高速粒子和太阳风粒子一同释放出来。太阳大气由光球层、色球层、过渡区、日冕4部分组成。日冕是太阳最外层大气，它由温度为108K的稀薄等离子体组成。日冕辐射覆盖了从X射线到无线电波的整个电磁波频段，在真空紫外和X光波段，日冕辐射要强于光球和色球，成为主要发射源。由此可知，日地空间等离子体产生来源于太阳辐射，太阳辐射主要包括电磁辐射和粒子辐射。太阳辐射与地球磁场、地球高层残余大气相互作用，产生了复杂多变的日地空间等离子体环境。?2、?空间等离子体的结构日地空间等离子体主要由太阳风等离子体、磁层等离子体、电离层等离子体三部分组成。本章主要讲磁层等离子体、电离层等离子体。2.2磁层等离子体：