中国科学院大学：地球物理学课程大纲汇总

大纲编号：S070800X001 空间物理学基础（① Space Physics(Part D) 课程编号：5070800XJ001 课程属性：学科基础课 学时/学分：40/2 预修课程：电动力学：等离子体物理：磁流体力学 教学目的和要求： 本课程为地球物理学各学科专业博士、硕士研究生的学科基础课，也可作为天文学专业 研究生的选修课。 本课程主要内容为太阳物理， 行星际物 和磁层物理等 通过学习希望学生掌握太阳物理、行星际物理和磁层物理学的基础知识。了解发生在行 星际和磁层中的各种物理过程及其基本理论和研究方法及其同电离层和高层大气的关联：了 解本领域的主要前沿课题及其研究现状和发展趋势。要求能运用所学的知识进行有关的科研 工作。 内容提要： 第一意太阳物理 太阳概观，太阳内部和太阳大气，太阳活动，太阳活动预报和日地关系。 第 章行际物理 太阳风，行星际激波，字宙线，太阳风和行星的相互作用。 第三章磁层物理 磁层概论，磁层的位形和结构、太阳风质量，动量和能量向磁层传输机制、磁层亚爆过 程、磁层中电场和申流体系，磁层竿离子体不稳定性和波。 教材： 刘振兴，《空间物理学基础》讲义，中国科学院研究生院，北京 主要参考书： 1.刘振兴等著，《太空物理学》，哈尔滨工业大学出版社，哈尔滨，2004. 2.涂传诒等编著，《日地空间物理学》（上、下册），科学出版社，北京，1989. 3.叶永短、吕保维主编，《空间物理学进展》，第一卷，1988：第二卷，1992：第三卷， 2001 撰写人：刘振兴沈超史建魁（中国科学院空间中心）

1 大纲编号：S070800XJ001 空间物理学基础 (I) Space Physics (Part I) 课程编号：S070800XJ001 课程属性：学科基础课 学时/学分：40/2 预修课程：电动力学；等离子体物理；磁流体力学 教学目的和要求： 本课程为地球物理学各学科专业博士、硕士研究生的学科基础课，也可作为天文学专业 研究生的选修课。本课程主要内容为太阳物理，行星际物理和磁层物理等。 通过学习希望学生掌握太阳物理、行星际物理和磁层物理学的基础知识。了解发生在行 星际和磁层中的各种物理过程及其基本理论和研究方法及其同电离层和高层大气的关联；了 解本领域的主要前沿课题及其研究现状和发展趋势。要求能运用所学的知识进行有关的科研 工作。 内容提要： 第一章 太阳物理 太阳概观，太阳内部和太阳大气，太阳活动，太阳活动预报和日地关系。 第二章 行星际物理 太阳风，行星际激波，宇宙线，太阳风和行星的相互作用。 第三章 磁层物理 磁层概论，磁层的位形和结构、太阳风质量，动量和能量向磁层传输机制、磁层亚爆过 程、磁层中电场和电流体系，磁层等离子体不稳定性和波。 教材： 刘振兴, 《空间物理学基础》讲义，中国科学院研究生院，北京 主要参考书： 1.刘振兴等著，《太空物理学》，哈尔滨工业大学出版社，哈尔滨，2004. 2.涂传诒等编著，《日地空间物理学》（上、下册），科学出版社，北京，1989. 3.叶永烜、吕保维主编，《空间物理学进展》，第一卷，1988；第二卷，1992；第三卷， 2001. 撰写人：刘振兴 沈超 史建魁 (中国科学院空间中心)

大纲编号：S070800XJ002 空间物理学基础（Ⅱ） Space Physics(IⅡ) 课程编号：S070800XJ002 课程属性：学科基础课 学时/学分：40/2 预修课程：普通物理、电磁学 教学目的和要求： 本课程为地球物理学科研究生的学科基础课。讲授对象为硕士研究生或未修过空间物理 课程的博士研究生 主要内容为：电离层的生成理论和电子损失机制：平衡态电离层的基 本结构和形态：热层和中层大气背景及主要动力学过程：电离层电动力学和等离子体过程 电离层异常和扰动及其效应：电离层中的电磁波及电离层探测：电离层与中层、热层及磁 层的相互作用及日地关系等。 本课程要求学生掌握电离层物理的背景知识、其中的重要过程及其理论和研究方法，并 了解电离层探测技术和原理以及电离层对无 电波传播的影响。通过对本课程的学习 使 学生了解整个日地空间物理学中电离层部分的主要研究对象和内容以及当前进展，为他们今 后开展电离层和高层大气物理研究打好基础。 内容提要： 第一章引言 电离层研究简史，在基础研究和应用方面的意义：电离层的定义，中层和热层大气的背 是结构：地球高层大气的命名系统：地球磁场，磁层，太阳风和日星。 第二章电离层的形成理论和形态 电离层形成的Chapman理论：电离层电子的损失过程，光化平衡：电子和离子的双极 扩散，电离成分运动的影响：电离层分区和背景电离层的平均形态：电离层异常。 第三章背景中性大气的动力学 高层大气结构和静力学平衡：基本的流体力学方程组：声重力波和电离层行扰（ⅡDs): 大气潮汐：热层风和热层环流：电离层高度的热过程和热结构。 第四事 电离层电动力学 电离层电离成分在外力作用下的运动特征：电离层电导率张量及一般表述：电集流和电 离层电流体系：电离层发电机理论：中纬度散见E层(Sporadic-.E)的风剪切理论。热 层风对电离层F区的效应。 第五章电离层中的电磁波，电离层探测 电离气体中电磁波传播的一般理论：电离层对无线电波传播的影响：电离层探测—测 高仪，Faraday和Doppler效应：非相干散射和GPSs测量。 第六章电离层等离子体不稳定性 电离层不规则结构：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

2 大纲编号：S070800XJ002 空间物理学基础（II） Space Physics (Ⅱ) 课程编号：S070800XJ002 课程属性：学科基础课 学时/学分：40/2 预修课程：普通物理、电磁学 教学目的和要求： 本课程为地球物理学科研究生的学科基础课。讲授对象为硕士研究生或未修过空间物理 课程的博士研究生。主要内容为：电离层的生成理 论和电子损失机制；平衡态电离层的基 本结构和形态；热层和中层大气背景及主要动力学过程；电离层电动力学和等离子体过程； 电离层异常和扰动及其效应；电离 层中的电磁波及电离层探测；电离层与中层、热层及磁 层的相互作用及日地关系等。 本课程要求学生掌握电离层物理的背景知识、其中的重要过程及其理论和研究方法，并 了解电离层探测技术和原理以及电离层对无线 电波传播的影响。通过对本课程的学习，使 学生了解整个日地空间物理学中电离层部分的主要研究对象和内容以及当前进展，为他们今 后开展电离层和高层大气物理 研究打好基础。 内容提要： 第一章 引言 电离层研究简史，在基础研究和应用方面的意义；电离层的定义，中层和热层大气的背 景结构；地球高层大气的命名系统；地球磁场，磁层，太阳风和日冕。 第二章 电离层的形成理论和形态 电离层形成的 Chapman 理论；电离层电子的损失过程，光化平衡；电子和离子的双极 扩散，电离成分运动的影响；电离层分区和背景电离层的平均形态；电离 层异常。 第三章 背景中性大气的动力学 高层大气结构和静力学平衡；基本的流体力学方程组；声重力波和电离层行扰（TIDs）； 大气潮汐；热层风和热层环流；电离层高度的热过程和热结构。 第四章 电离层电动力学 电离层电离成分在外力作用下的运动特征；电离层电导率张量及一般表述；电集流和电 离层电流体系；电离层发电机理论；中纬度散见 E 层（Sporadic- E）的风剪切理论。热 层风对电离层 F 区的效应。 第五章 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；电离层对无线电波传播的影响；电离层探测——测 高仪，Faraday 和 Doppler 效应；非相干散射和 GPS 测量。 第六章 电离层等离子体不稳定性 电离层不规则结构；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

第七章电离层扰动和日地关系 太阳耀斑和日冕物质抛射：电离层突然扰动、分类、形态和机制：电离层暴：中纬和高 纬电离层：电离层扰动对电波传播的影响：电离层和日地关系。 教材与主要参考书： 1.Rishbeth,H.Garriot K Inoduction o the Tonospheric Physics,Academic Press, London,1969 2.(日)加藤进，马淑英（李钧译），《高空大气动力学》，科学出版社，北京，1988。 3.Kelley,M.C..The earth's lonosphere,Academic Press,San Diego,1989. 4.Schunk,R.W..Nagy,A.F.,Ionospheres,Cambridge University Press,Cambridge,2000. 撰写人：肖佐（北京大学 撰写日期： 2000年07

3 第七章 电离层扰动和日地关系 太阳耀斑和日冕物质抛射；电离层突然扰动、分类、形态和机制；电离层暴；中纬和高 纬电离层；电离层扰动对电波传播的影响；电离层和日地关系。 教材与主要参考书： 1. Rishbeth, H., Garriott, O. K., Introduction to the Ionospheric Physics, Academic Press, London, 1969. 2. （日）加藤进, 马淑英(李钧译)，《高空大气动力学》，科学出版社，北京，1988。 3. Kelley, M. C., The earth's Ionosphere, Academic Press, San Diego, 1989. 4. Schunk, R. W., Nagy, A. F., Ionospheres, Cambridge University Press, Cambridge, 2000. 撰写人：肖佐(北京大学) 撰写日期：2000 年 07

大纲编号：S070800XJ003 地球流体力学 Mechanics of the Earth's Fluids 课程编号：S070800XJ003 课程属性：学科基础课 学时/学分：40/2 预修课程：高等数学、普通物理、流体力学基础 教学目的和要求： 本课程为地球物理学科研究生的学科基础课，也可作为海洋科学等学科研究生的学科基 础课，同时也可为地球化学等专业研究生的专业基础课。 本课程结合大气、海洋、冰川运动、地下水和油气运移及地球动力学等实际问题，侧重 学习不可压缩粘性流动、旋转分层流体和孔隙介质流动。 通过系统学习，使学生堂握分析和解决地球流体力学问要的基本理论和方法。 内容提要： 第一章连续介质 地球流体的普遍性：连续统假设：流体运动学：形变率张量：速度场的分解：应力： Navier--Stokes方程：Boussines近似： 能量方程：涡度方程：无量纲参数：动力学相 似：边界条件 第二章粘滞流体 Poiseuille管道流：停滞流动：大Reynolds数流动，小Reynolds数流动：层流边界层： 流体静力稳定性：重力波：浅水波：双扩散对流：层流稳定性：湍流的转换：Reynolds 应力：湍流边界层：均匀各向同性理论：扩散和弥散。 第三章旋转的 Colioli力与非惯性系：地转运动：Taylor-Proudman定理：Poincare问题：位涡守恒：地 转流动：热成风，B平面：惯性行星波：斜压不稳定性：Ekmm边界层：Sverdrup输运 关系：惯性边界层：西边界流：温跃层。 第四章岩石与流体系统 孔隙度：有效应力：格架模型：边界条件：开放含 Dupuit近似：封 闭含水层压实作用：流体饱和孔隙介质中的热柱：孔隙介质中热对流：火山形状：界 面稳定性：海侵：水动力弥散：不饱和流动：两相热对流：反应渗滤不稳定性。 第五章非Newton流体 蠕变：幂率流体剪切流动：冰川形状与运动：冻土的霜后抬举：Mxwc粘弹流体：地 幔对流：融熔物质迁移：热柱的孤立波：大气-海洋冰川非线性糯合。 数材：

4 大纲编号：S070800XJ003 地球流体力学 Mechanics of the Earth's Fluids 课程编号：S070800XJ003 课程属性：学科基础课 学时/学分：40/2 预修课程：高等数学、普通物理、流体力学基础 教学目的和要求： 本课程为地球物理学科研究生的学科基础课，也可作为海洋科学等学科研究生的学科基 础课，同时也可为地球化学等专业研究生的专业基 础课。 本课程结合大气、海洋、冰川运动、地下水和油气运移及地球动力学等实际问题，侧重 学习不可压缩粘性流动、旋转分层流体和孔隙 介质流动。 通过系统学习，使学生掌握分析和解决地球流体力学问题的基本理论和方法。 内容提要： 第一章 连续介质 地球流体的普遍性；连续统假设；流体运动学；形变率张量；速度场的分解；应力； Navier-Stokes 方程；Boussinesq 近似；能量方程；涡 度方程；无量纲参数；动力学相 似；边界条件。 第二章 粘滞流体 Poiseuille 管道流；停滞流动；大 Reynolds 数流动, 小 Reynolds 数流动；层流边界层； 流体静力稳定性；重力波；浅水波；双扩散对流；层流稳定性；湍流的转捩；Reynolds 应力；湍流边界层；均匀 各向同性理论；扩散和弥散。 第三章 旋转的作用 Colioli 力与非惯性系；地转运动；Taylor-Proudman 定理；Poincare 问题；位涡守恒；地 转流动；热成风, β-平面；惯性行星波；斜压不稳定性；Ekman 边界层；Sverdrup 输运 关系；惯性边界层；西边界流；温跃层。 第四章 岩石与流体系统 Darcy 定律；孔隙度；有效应力；格架模型；边界条件；开放含水层；Dupuit 近似；封 闭含水层压实作用；流体饱和孔隙介质中的热柱；孔隙介质中热对 流；火山形状；界 面稳定性；海侵；水动力弥散；不饱和流动；两相热对流；反应-渗滤不稳定性。 第五章 非 Newton 流体 蠕变；幂率流体剪切流动；冰川形状与运动；冻土的霜后抬举；Maxwell 粘弹流体；地 幔对流；融熔物质迁移；热柱的孤立波；大气-海洋-冰川非线性耦合。 教材：

马石庄，《地球流体力学导论》，中国科学院研究生院讲义，北京，2000。 主要参考书： 1.Middleton,G.V.Wilcock,P R.Mechanics in the Earth and Environmental Sciences, Cambridge University Press,Cambridge,1995. 2.Faber,T.E.Fluid Dynamics for Physicists.Cambridge University Press.Cambridge. 1995. 3.Cushman-Roisin,B.Geophysical Fluid Dynamics,Prentice Hal Englewood Cliffs,New Jersey,1994. 4.Ghil,A E.Childress,S Topics in Geophysical Fluid Dynamics:Atmosphere Dynamics. Dymamo Theory and Climate Dynamics,Springer-Verlag.New York,1987. 1969 6.Fowler.A.C..Mathematical Models in the Applied Sciences.Cambridge University Press Cambridge,1999. 7.Phillips,O.M.Flow and Reaction in Permeable Rocks,Cambridge University Press. Cambridge,1991. 8.Turcotte,D.L Schubert,G.Geodymamics(2nd ed.). John Willy,New York,2000 撰写人：马石庄（中国科学院研究生院） 撰写日期：2001年10日

5 马石庄，《地球流体力学导论》，中国科学院研究生院讲义，北京，2000。 主要参考书： 1. Middleton, G. V., Wilcock, P. R., Mechanics in the Earth and Environmental Sciences, Cambridge University Press, Cambridge, 1995. 2. Faber, T. E., Fluid Dynamics for Physicists, Cambridge University Press, Cambridge, 1995. 3. Cushman-Roisin, B., Introduction to Geophysical Fluid Dynamics, Prentice Hall Englewood Cliffs, New Jersey, 1994. 4. Ghil, A. E., Childress, S., Topics in Geophysical Fluid Dynamics: Atmosphere Dynamics, Dynamo Theory and Climate Dynamics, Springer-Verlag, New York, 1987. 5. Greenspan, H. P., The Theory of Rotating Fluids, Cambridge University Press, Cambridge, 1969. 6. Fowler, A. C., Mathematical Models in the Applied Sciences, Cambridge University Press, Cambridge, 1999. 7. Phillips, O. M., Flow and Reaction in Permeable Rocks, Cambridge University Press, Cambridge, 1991. 8. Turcotte, D. L., Schubert, G., Geodynamics(2nd ed.)，John Willy, New York, 2000. 撰写人：马石庄(中国科学院研究生院) 撰写日期：2001 年 10 日