地心之旅核心中的物理知识是什么？

千百年来，人们知道狂风暴雨、雷电、雷电、洪水、干旱给人们的衣食住行和生产活动带来了灾难。在地球上空20-30公里的高空，甚至1000万公里(或太空)的空间也有恶劣的空间天气变化。例如，太阳上高温高超音速物质喷发形成的太阳风暴吹过地球时，有时会造成卫星故障、过早坠落、通信中断、导航跟踪错误、电力系统损坏，严重危害人们的健康和生命，但这是近2-30年来逐渐认识到的新事实。

我们现在知道，从太阳到地球的空间环境与人类的生存和发展密切相关。它由太阳大气、行星际介质、磁层、电离层和高层大气组成。这种空间环境从1957开始由人造卫星发射，人类的航天飞行、通信、导航和军事活动从地表扩展到数百或数千公里，成为人类活动的重要场所；其独特的高海拔、高真空、微重力、强辐射、高导电性等环境条件，不仅为人类发展提供了丰富的资源，也为航天、通讯、资源勘探、军事等活动提供了地面上不可能的设施。它阻止和吸收来自太阳的X射线、紫外线、高能带电粒子和超音速太阳风暴的直接轰击，是人类生存的重要保护层。但“水能载舟，亦能覆舟”，太空中频繁的恶劣天气变化也给人类的高科技活动带来了如上所述的严重危害。太阳的活动控制着它的喜怒哀乐。

空间天气是空间天气(状态或事件)监测、研究、建模、预报、效应、信息传输和处理、对人类活动的影响、空间天气的开发利用和服务等的集成。它是多种学科(太阳物理、空间物理、地球物理、大气物理、宇宙线物理、空间等离子体物理、磁流体力学、数值计算、图像处理等。)和技术。

空间气象学的基本科学目标是将太阳大气、行星际和地球磁层、电离层和高层大气视为一个有机系统，根据空间灾害性天气事件的因果链关系配置空间和地面的监测系统，了解空间灾害性天气过程的变化规律。目前涉及的主要科学课题有:太阳活动过程和物质输出结构的研究；太阳风暴的形成和演变及其与地球的相互作用；地球空间系统空间灾害性天气过程的因果链模型等。这些都是空间科学面临巨大挑战的难题。

空间气象学的应用目标是减少和避免空间灾害性天气给高科技系统带来的昂贵损失，为航空航天、通信、导航、资源、电力、生态、医学、科研、航天安全和国防提供区域和全球背景及时变环境模型。为重要的空间和地面活动提供空间天气预报、效果预报和决策依据；为效果分析和防护措施提供依据；探索开发利用空间资源和人工控制空间天气的可能途径，以及制定相关的空间政策，等等。

太阳风

太阳风是什么？简单来说就是太阳粒子辐射流，是太阳辐射的组成部分。在距离地球约64000公里处，也就是地球半径的10倍处，有一股超音速带电粒子流，又称“等粒子”流，以每秒数百公里的速度飞向地球，不断冲击着地球周围的环境。这是太阳风。顾名思义，太阳风可以理解为太阳形成的“风”，只不过这种“风”不是“吹”出来的大气，而是带电粒子流，这种“风速”达到超音速。面向太阳的磁层保护地球免受太阳风的正面攻击，同时也改变太阳风的方向绕过地球。但是，太阳风可以在地球磁场的南极入侵。当太阳风侵入南极分叉区时，可以使带电的太阳粒子辐射流近乎垂直地向电离层甚至中低层大气输送，并使各层产生能量、动量和质量耦合区，形成许多重要的物理现象。

磁层空间风暴

包括磁层亚暴、磁暴和磁层粒子暴。

-磁层亚暴是磁层中储存巨大能量并突然释放的瞬态活动。它们每天大约发生3-4次，每次释放的能量相当于一次中等地震的能量，可以引起极地地球空间环境的剧烈变化。持续的磁层亚暴与强磁暴密切相关。

-磁暴是全球地磁场的剧烈活动，可引起电磁层和高层大气的剧烈扰动，对空间活动、通信和导航的定位精度产生重要影响。

-磁层粒子风暴是近地磁层各种粒子的爆发事件，对空间活动有重要影响。

北极光

极光是发生在极地地区的一种奇特而美丽的自然现象。科学上讲，极光是太阳表面发出的带电粒子流，从外太空疾驰而来，猛烈撞击地球南极地区稀薄的大气，将大气分子激发到高能级，发出耀眼的可见光。比如，如果把地球空间看作电视显像管，把地球磁层的尾部中心比作电子枪，把南极地区的高层大气看作荧光屏，那么极光就是这个荧光屏上的图像。极光的出现取决于太阳的强弱，以及离开太阳的太阳风所携带的磁场的强度和方向。极光具有巨大的能量，可以达到几千电子伏特。一般来说，极光容易出现在地磁纬度67度，高度110公里附近。研究极光活动的目的主要是研究等离子体层中的一些物理现象及其通过它对通信和卫星轨道的影响。这是因为当带电粒子落入极光区时，极光区的带电粒子可以进一步产生电子浓度大大增强的薄层，导致地面发射机发射的高频无线电波出现异常。此外，极光区的粒子还会加热大气层的顶层，导致那里出现局部强风。极光还能显著增温热层(110 km ~ 300 km)的大气，增加电子浓度，影响极轨卫星低飞行高度的轨道。

集群卫星

20世纪80年代初，国际航天界开始酝酿一项史无前例的国际太空探索计划。因此，建议由国际航天局协调小组(IACG，由美国国家航空航天局、欧空局和前苏联和日本的空间机构组成)组织和协调“国际日地物理学(ISTP)计划”。该计划是自人造卫星发射以来的一项太空规模的国际日地空间探测计划。其主要科学目标是将日地空间作为一个整体系统，在日地空间的各个层次发射多颗卫星，对日地系统连锁变化的物理过程进行协同探测和研究。

在此背景下，欧空局的Cluster计划(现称Cluster I计划)于1985年底提出，IST P计划于1992 -1996期间正式实施。经过十年的努力，1996年6月4日，欧空局新研制的阿丽亚娜5号火箭在欧空局法属圭亚那发射场发射了第一组的四颗卫星(每颗65，438+0.2吨)。这是阿丽亚娜-5火箭的首次发射。由于火箭的飞行程序软件发生事故，发射失败了。历时十年研发的阿丽亚娜-5火箭及其四颗集群卫星突然灾难性地爆炸，变成了天空中的烟雾和碎片。这一事件引起了国际航天界的震惊，给国际日地空间物理学的发展造成了严重损失。

1996年6月4日星团I的发射失败让欧空局的科学家和工程师们非常难过，但他们没有沮丧，反而唤起了努力奋斗的精神。在欧空局科学项目主任R.M.Bonnet教授的组织领导下，一个新的集群计划开始酝酿。经过八个月的努力，新的集群计划，即第二集群计划，终于在1997年4月4日正式通过。

星团ⅱ和星团ⅰ一样，包括4颗相同的卫星，构成了地球空间星座的探测计划。Cluste rⅱ的轨道为:近地点为4RE(其中RE为球体半径，Re = 6371.2km)，远地点为19.6RE，倾角为90°。每颗卫星重1.2吨，每颗卫星携带11台探测仪器。直到集群二成功发射前，仅使用单颗卫星在空间局部区域进行探测，仅以姊妹卫星形式规划两点探测，无法探测到地球空间环境的三维小尺度结构。Cluster的研制成功开辟了地球空间探测的新时代。Cluster的四颗卫星可以在空间形成一个四面体，四颗卫星之间的距离可以根据科研需要进行调整。这四颗卫星的组合，就像四个美丽的舞伴在太空中跳舞，不断变换姿势。为此，欧空局用四种舞蹈来命名这四颗卫星，即它们被称为“萨尔萨”、“桑巴”、“伦巴”和“坦戈”。

欧空局Cluster II计划的主要科学目标是探测和研究地球空间等离子体边界层的结构和动态过程。主要创新点是探测过去无法实现的地球空间环境的三维小尺度结构和电磁场、粒子的时空变化，解决过去无法解决的关键科学问题。目前，23周的太阳活动高峰年已经开始，Cluster ⅱ卫星的成功发射将对揭示太阳爆发事件导致的地球空间灾害环境之谜起到非常重要的作用。

人造卫星

在太空中环绕地球运行(至少一次)的无人航天器，人造卫星是发射次数最多、用途最广、发展最快的航天器。卫星发射次数占航天器发射总数的90%以上。一个完整的卫星工程系统通常由人造卫星、运载火箭、航天器发射场、航天控制和数据采集网以及用户站(站和网)组成。卫星和用户站(站和网)构成卫星应用系统，如卫星通信系统、卫星导航系统和卫星空间探测系统。1957 10 10月4日，苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星。50年代末至60年代初，各国发射的卫星主要用于探测地球空间环境，进行各种卫星技术实验。60年代中期，人造卫星开始进入应用阶段，各种应用卫星相继投入使用。70年代以来，各种新型特种卫星相继出现，性能不断提高。

人造卫星由几个系统组成，包括各种仪器和设备，这些系统可分为两类:专用系统和支持系统。专用系统是指与卫星执行的任务直接相关的系统，大致可分为三类:探测仪器、遥感仪器和转发器。科学卫星利用各种探测仪器(如红外望远镜、宇宙射线探测器、磁力仪等)探测空间环境，观测天体；通信卫星通过通信中继器和通信天线传输各种无线电信号；地球观测卫星使用各种遥感器(如可见光相机、侧视雷达、多光谱相机等。)来获取关于地球的各种信息。支撑系统主要包括结构系统、热控系统、电源系统、无线电测控系统、姿态控制系统和轨道控制系统。一些卫星还配备了计算机系统来处理、协调和管理每个子系统的工作。返回式卫星还有一个返回着陆系统，由制动火箭、降落伞和信标组成。

卫星观测天体不受大气阻挡。它可以接收来自天体的所有电磁辐射，实现全波段天文观测。卫星飞行速度很快，一天绕地球几圈到十几圈，可以快速获取很多关于地球的信息，这是地面勘测和航拍无法比拟的。卫星在几百公里以上的高空飞行，不受地域、空域、地理和气候条件的限制，视野开阔。一张地球资源卫星照片，面积上万平方公里。在地球静止轨道上，卫星可以“看到”地球表面的40%，非常有利于通信，可以在全球范围内实现信息传输和交换。卫星可以飞越地球的任何地方，尤其是人迹罕至的原始森林、沙漠、山脉、海洋和南北极，观测地下矿藏、海洋资源和地层断裂带。因此，人造卫星可用于天文观测、空间物理探测、全球通信、电视广播、军事侦察、气象观测、资源调查、环境监测、大地测量、搜救等。