人类进入太空时代已经半个世纪了，经过50多年的太空探索，人类对太空的认识也有了巨大的飞跃；同时，迅速发展的空间技术，也在不断地提高人们的生活质量。

焦维新所著的《奇妙的地球空间》的内容按照中小学生的特点加以扩展，强调知识性、趣味性和可读性。本书系统地介绍了地球空间的特征与人类的探索历程，具体内容包括地球的磁场、地球的大气层、电离层、辐射带、磁层和探索地球空间。

太空不是空的，在地球稠密大气层的上面，是稀薄的中高层大气，这里发生着绚丽多彩的极光、柔和的气辉和神奇的红闪。焦维新所著的《奇妙的地球空间》系统地介绍了地球空间的特征与人类的探索历程，具体内容包括地球的磁场、地球的大气层、电离层、辐射带、磁层和探索地球空间。

《奇妙的地球空间》强调知识性、趣味性和可读性。此外，本书属科普读物，适合小学中高年级及以上文化水平的读者，也可供与空间天气有关的工程技术人员参考。

第1章 人类探索太空的历程

 1.1 美丽的神话与幻想 |1

1.1.1 有关太空的神话故事 |1

1.1.2 太空幻想曲 |3

 1.2 登天之路 |7

1.2.1 从古代火箭到探空火箭 |7

1.2.2 人类终于上天了 |11

1.2.3 遥远的征程 |15

 1.3 太空的层次 |17

1.3.1 地球空间 |17

1.3.2 日地系统 |19

1.3.3 太阳系 |19

1.3.4 宇宙 |20

 1.4 为什么要探索太空 |22

1.4.1 空间科学与技术 |22

1.4.2 太空资源的开发与利用 |23

1.4.3 太空灾害和预防 |24

1.4.4 开拓天疆 |25

第2章 地球的磁场

 2.1 变化莫测的地磁场 |27

2.1.1 什么是地磁场 |27

2.1.2 地磁场是怎样产生的 |28

2.1.3 什么是南大西洋异常 |32

2.1.4 磁极发生过倒转吗 |33

2.1.5 目前地球的磁极在什么位置 |35

 2.2 地磁场与人类 |36

2.2.1 捕获带电粒子 |36

2.2.2 地磁变化与人的健康 |37

 2.3 地磁场与地球空间 |40

2.3.1 阻挡太阳风 |40

2.3.2 影响地球空间各区域的状态 |41

 2.4 地磁场与自然界 |41

2.4.1 动物辨别方向 |41

2.4.2 地磁变化与地震有关系吗 |42

2.4.3 地磁测量的应用价值 |44

2.4.4 宇宙中已知天体的磁场强度是多少 |44

2.4.5 在地球的上空有没有磁场为零的点 |44

 2.5 地磁场的作用 |45

第3章 地球的大气层

 3.1 生命的保护神——大气层 |47

3.1.1 大气的五层楼结构 |47

3.1.2 发生风雨雷电的对流层 |50

3.1.3 温室气体与温室效应 |51

3.1.4 臭氧洞为什么会出现在南极 |52

3.1.5 夜光云出没的地方 |55

3.1.6 热层为什么会忽冷忽热 |57

3.1.7 应用卫星集中的外层 |59

 3.2 中高层大气的光学奇观 |59

3.2.1 绚丽多彩的极光 |59

3.2.2 柔和的气辉 |61

3.2.3 神奇的红闪 |63

3.2.4 蓝色的急流 |65

3.2.5 暗淡的地冕 |69

 3.3 近太空及其商业与军事应用 |70

3.3.1 什么是近太空 |70

3.3.2 近太空平台 |70

3.3.3 亚轨道飞船 |74

3.3.4 亚轨道战机 |77

 3.4 常见问题解答 |78

第4章 电离层

 4.1 什么是电离层 |85

4.1.1 电离层是怎样形成的 |85

4.1.2 电离层是怎样发现的 |87

 4.2 电子密度是怎样变化的 |88

4.2.1 电子密度随高度的变化 |88

4.2.2 不规则性与日夜变化 |90

 4.3 电离层中的无线电传播 |92

4.3.1 电离层对电磁波的反射 |92

4.3.2 甚低频与超低频通信 |99

4.3.3 卫星通信与导航 |100

 4.4 电离层扰动及其对通信系统的影响 |102

4.4.1 突然电离层骚扰 |102

4.4.2 从中美撞机事件谈起 |104

4.4.3 电离层暴 |104

 4.5 人工改变电离层 |105

4.5.1 人工影响天气与气象武器 |105

4.5.2 美国的人工改变电离层计划 |105

 4.6 常见问题解答 |107

第5章 辐射带

 5.1 带电粒子与辐射带 |113

5.1.1 带电粒子及其在地磁场中的运动 |113

5.1.2 什么是辐射带 |115

5.1.3 辐射带是怎样发现的 |116

5.1.4 太空“百慕大三角” |117

5.1.5 安全区的填充与清除 |118

 5.2 人工辐射带 |119

5.2.1 什么是人工辐射带 |119

5.2.2 典型的人工辐射带 |121

 5.3 辐射带对航天器的影响 |121

5.3.1 对航天员的影响 |121

5.3.2 航天器内部充电 |122

5.3.3 单粒子事件 |123

第6章 磁层

 6.1 地球空间的外边界 |125

6.1.1 磁层名称的由来 |125

6.1.2 磁层的结构 |126

6.1.3 磁层中的电流 |128

6.1.4 地磁活动指数 |129

6.1.5 太阳风是怎样影响磁层的 |131

 6.2 磁暴 |132

6.2.1 什么叫磁暴 |132

6.2.2 历史上最大的磁暴 |134

6.2.3 磁暴对地球空间环境和技术系统的效应 |136

 6.3 亚暴 |138

6.3.1 什么叫亚暴 |138

6.3.2 亚暴对地球空间环境的影响 |142

第7章 探索地球空间

 7.1 探索地球空间的方式与方法 |145

7.1.1 地基探测 |145

7.1.2 天基探测 |146

 7.2 典型的卫星 |146

7.2.1 幸运的探险者1号卫星 |146

7.2.2 “定时”卫星遥看中层大气 |147

7.2.3 欧洲空间局上演的“凤凰传奇” |151

7.2.4 “法神星”解决“瞎子摸象”问题 |156

7.2.5 寄托于“多尺度” |156

1．3 太空的层次

太空的范围是巨大的，为了分析论述方便，本丛书将太空划分为四个层次，由近及远为地球空间、日地系统、太阳系和宇宙。

1．3．1 地球空间

我们探索太空的第一站是地球空间(Geospace)。无论是中文名字，还是英文名字，都含有“地球”和“空间”的词或词头。显然，这个空间范围应当在地球附近。其下边界在距离地球表面大约60km处，上边界的形状比较特殊，有点像泪滴状，靠近太阳方向，边界距离地球表面七八个地球半径；而背向太阳的那面，则可延伸上百个地球半径。其中包含了地磁场和地球大气层的高层部分，即中层、热层和外层。

所以将地球空间的下边界定义在60km附近，主要是因为在这个高度以上，大气层分子逐渐电离，变成导电的气体，称为电离层，它们的状态受太阳辐射变化和地磁场变化的直接影响。

随着高度升高，大气层分子被电离的程度越来越高，大约在500km以上，大气层几乎完全电离了。这些完全电离气体的状态主要受磁场变化的控制，因此，通常将500km以上的高度叫做磁层。地球空间的外边界是磁层和太阳风相互作用形成的界面，称为磁层顶。在向阳面，磁层顶大约7～8个地球半径，在背阳面，太阳风将地球的磁场拉到100多个地球半径，形成磁尾。

图1-12是地球空间形成示意图，在太阳风的作用下，地磁场已经严重变形。在向阳面被压缩，背阳面则被拉长。

地球空间的物质主要包括大气层的高层部分和地磁场。此外，还有运行在不同轨道的大量空间碎片。

地球空间研究的对象包括地磁场、中高层大气、电离层、辐射带、磁层以及太阳风对地球空间的影响；另外还涉及地球空间的利用、地球空间的灾害以及地球空间的探测方法和技术。

地球空间是人类太空活动的主要场所，各类应用卫星和载人飞船都运行在这个区域；各种波长的无线电通信以及卫星通信，也主要发生在这个区域。因此，了解地球空间的特性，对于确保各类航天器安全可靠运行、保障各类通信系统的畅通都具有重要意义。

发生在地球空间的许多自然现象也是非常有趣的。从光学现象看，地球空间有五大光学奇观，包括绚丽多彩的极光、神奇莫测的红闪与蓝急流；有暗淡的气辉，还有在远离地球才能看见的地冕。

地面上的风是多种多样的，有微风、飓风、龙卷风和台风。地球的高层大气有高空风，它对卫星的轨道和战略导弹的精度有很大影响。

雨是地球常见的现象，但太空的“雨”与地球上的雨可不一样。太阳爆发时，会将大量的带电粒子抛向地球，在极区进入高层大气，形成带电粒子“雨”。当地球与某些彗星的轨道相遇时，大量的碎石块和尘埃被地球吸引，进入地球大气，形成所谓“流星雨”。

1．3．2日地系统

日地系统包括太阳、太阳风、日地行星际空间。

太阳是地球上一切生命的源泉，但太阳本身每时每刻都在变化，有时甚至发生爆发性活动，输出的电磁辐射和粒子辐射能量在短时间内增加几十甚至几百倍。这些能量部分由短波辐射如紫外线和x射线携带，部分由太阳风携带。这两种形式的辐射都将对地球空间产生巨大的影响。

日地系统的主要研究内容包括太阳的结构、太阳黑子、太阳活动周期、太阳耀斑、太阳日冕物质抛射与太阳风。太阳风向地球传播时，要经过日地行星际空间，在这个空间范围内，太阳风携带的粒子及磁场都将发生变化，离开太阳的状态与到达地球空间的状态将发生很大变化，而直接影响地球空间状态的是接近地球空间时的状态，因此，我们不仅关注什么时候发生太阳风暴，还要关注太阳风在日地行星际空间状态及变化的过程。

1．3．3 太阳系

太阳系是由太阳和行星系统组成的(见图1-13)。所谓行星系统，包括行星、矮行星、小行星、彗星以及流星体。

P17-19

人类进入太空时代已经半个世纪了，经过50多年的太空探索，人类对太空的认识也有了巨大的飞跃；同时，迅速发展的空间技术，也在不断地提高人们的生活质量。

但太空毕竟是巨大而复杂的，50年所获得的知识还是有限的。现在，世界上许多国家都提出了新的、宏伟的探索计划。可以预见，再过50年，人类对太空的认识，无论从深度和广度，都将有新的飞跃，人类的生活方式和生活质量，也将随着空间技术的发展而发生巨大的变化。

笔者近20年来在北京大学讲授“太空探索”课，学生选课的热情和对太空的关注度，给我留下深刻的印象。另外，本人每年在中小学做近百场科普讲座，广大中学生在讲座会场所洋溢出的热情，使我感动不已。学生听课时的全神贯注、提问时的踊跃，会场的活跃气氛，都充分说明了青少年对太空知识的渴望。

目前，我国正在实施探测月球的嫦娥工程和载人航天的“三步走”计划；另外，我国的科学工作者还提出了自主探测火星、金星和小行星的计划，观测太阳的“夸父计划”，载人登月计划、观测宇宙的空间硬X射线调制望远镜计划等等。随着这些计划的深入实施和新计划的执行，我国民众对太空关注的热情将日益高涨。

上述情况说明，广大中小学生和民众非常关注太空活动，迫切期望了解太空的知识。正是基于这样的认识，我下决心“开设”一门中学生版的“太空探索”课，将课堂扩大到社会，使读者对广袤无垠的太空有系统的了解和全面的认识，对空间技术的魅力有实实在在的体会，从根本上激发青少年热爱科学、刻苦学习、奋发向上，树立为祖国的科技腾飞贡献力量的理想。

本套丛书的内容按照中小学生的特点加以扩展，强调知识性、趣味性和可读性。每册一个专题，具有相对独立性。涉及太空中各类天体的特征与探索历程、探索太空的方式和技术、太空资源与开发利用、太空对人类潜在的灾害及预防等方面。

目前计划出版的图书包括《发怒的太阳》、《奇妙的地球空间》、《寻找地外生命》和《天地大碰撞》。以后视需求情况，会陆续增加一些内容。

笔者曾出版多部著作，但为青少年写系列科普书还是第一次。为了能满足青少年的需求，在初稿完成后，曾请文科大学生和小学生阅读，征求他们的意见。夫人刘月兰仔细地、反复地阅读初稿，对每个章节的难易程度提出自己的看法，还对文字进行推敲。儿子焦长锐和儿媳周媛也对书稿提出修改意见。正是在家人的大力帮助下，才完成了这套科普丛书的写作。

在此对他们表示感谢。