遥感物理讲座 第一讲 遥感的原理及应用

遥感技术,目前已成为一个国际性的研究课题,而且正在迅速地扩大其范围．它为人类提供了探测地球表面及其他星球的手段,使人类对整个世界的认识发生了很大的变化．正因如此,它受到了各国的普遍重视．遥感的历史可追溯到１８５８年Ｌａｕｓｓｅｄａｔ用气球携带相机拍摄的巴黎“鸟瞰”象片,这是最早获得的遥感资料．在此后近一百年内,特别是两次世界大战中由于军事上的需要,使黑白航空摄影和彩色航空摄影有了显著的进步．?...     

真空紫外和软X线波段成像探测器

一、引言随着科学技术的发展,人类的观测范围从可见光扩展到红外、紫外和软Ｘ射线波段．例如,宇宙空间在在着大量紫外、Ｘ射线辐射源——恒星、河外星系、类星体等．通过对这些天体的研究,有助于了解天体的演化过程．由于地球大气的的吸收,这些紫外、Ｘ射线达不到地面,限制了人类对这些天体的了解．随着空间技术的发展,可以在地球大气层外探测来自天体的辐射,这就把人类的认识延伸到距离远达８０亿光年的地方．而对紫外?...     

超越生命与时空

人类生命在地球上,不是原本就有,至少在恐龙年代,约２亿年前;证明后者的存在和年代,是其庞大完好的化石架．但是,自从近百万年以来,地球上产生了人类;尤其是最近的万年来,有了人类文明、文化;才打破了时空中上百亿年的沉寂,使得宇宙充满了生机和活力！没有我们人类,宇宙就不会这样,如果宇宙不是这样的,也就不会有我们的存在,这就是人择原理．一、科学技术 科学和技术的飞跃发展是近、现代的事情,且西方比我们快半拍．科技的发达,一是提高人类的生存质量,二是提供认识客观自然的手段、工具和方法．科技和财富不应该用于战…     

近代天体物理学中的几个问题

长期以来,人类用以观测天体的波段,主要被限制在可见光辐射这一相当狭窄的频率范围之内．这一方面是由于设备和技术的不足,另一方面也由于人类长期居住在稠密的地球大气底层,而大气层仅对可见光等几段比较狭窄的电磁辐射透明的原故。这个情况在近十余年来开始有了很大的改变．由于射电天文等技术的发展,人造地球卫星探测设备的应用,人类终于逐步地冲破了大气透光性的限制,可以在从无线电波频起直到高能γ射线止的、宽达?...     

新视角下的空间探测意义浅谈

1970年,赞比亚修女Mary Jucanda给ErnstStuhlinger博士写了一封信,信中问道：目前地球上还有那么多小孩子连饭都吃不到,他怎么能舍得为远在火星的项目花费数十亿美元。Ernst Stuhlinger很快给Mary Jucanda回了一封信,并附上了一张题为“升起的地球的照片”。他这封信随后由NASA以《为什么要探索宇宙》发表。为什么要探索宇宙？自人类诞生始,对宇宙的探索就从未中断过。中国古代就有钦天监专门掌管观察天象,在古代西方,神也总是与星空联系在一起,一直到近现代,摆脱了愚昧的“神学”束缚,科学技术不断发展,我们才开始了真正的空间探测。空间探测指的是对地球高层大气和外层空间所进行的探测,这是人类正在进行的一场空前的伟大事业,实现了人类探索自然的旅程从“仰望星空”到“触摸星空”的历史性转变。     

从粒子到宇宙

 从超新星１９８７Ａ谈起１９８７年２月２３日,在地球上探测到远离它１７万光年的大麦哲伦星云发生的一次能量为１０２７倍的氢弹爆炸能量的超新星爆发,这次爆发后来被称为１９８７Ａ．这是自１６０４年开普勒探测到的这类爆发以来人类第一次可由肉眼观察到的超新星爆发．由于核燃料的耗尽,在自身强大引力的作用下,星体在几秒钟的时间内坍缩,并释放出成百倍于我们太阳在它现存的时间内发出的全部能量．在加拿大天文学家在智利的山上注意到超新星１９８７Ａ之前,就传来了中微子在美国和日本的两个巨大的地下粒子探测器被记录的消息．这些探测器均由几千吨非常纯净的水组成,并配以光电倍增管和电子学．     

十九世纪中期以前的地磁学

地磁学相对于静磁学来说具有更悠久的历史．由于地磁学与天文观察的密切关系,由于地球本身是一个大磁体,这种天造地设的条件使得地磁学较早地发展起来了．我们知道,静磁学诞生于１６００年,电磁学诞生于１８２０年,但是地磁学是在什么时候诞生的呢？我们目前还未发现有一个统一的说法．不过,我们对于电磁学发展的时序还是有一个较为统一的认识的：我国在公元前就开始了对北极光的观察,公元十一世纪我国最早发现了磁偏角?...     

太阳的伴星

１９８４年可能是人类对太阳系认识产生巨大变革的一年．太阳系组成、结构和运行的概念有可能大大改变并深化人类对自己的生活环境──自然界的认识．如果这一新概念得到证实,人们将开始认识到以前从未认识的事物;原来得到的认识也将得到修正和补充．人类对太阳系的认识曾经发生过一次巨大的变革,那就是十六世纪哥白尼提出日心说．这是现今人们认识太阳系的基础．根据日心说,太阳是银河系的一颗恒星,九大行星围绕太阳旋转?...     

空间碎片问题的现状和未来

自1957年10月4日前苏联发射世界上第一颗人造地球卫星Spulnik1算起,人类进入太空时代已有50年,从此大约又进行了4500次太空发射。人造航天器大体可分为两类。一类是无人航天器,包括人造地球卫星和各种空间探测器。人Z造地球卫星是一种环绕地球在空间轨道上运行的无人航天器。按用途可分为科学卫星、技术试验卫星和应用卫星,应用卫星直接为国民经济和军事服务,因而用途也最广。在人类发射的人造卫星中,90％以上是应用卫星。应用卫星按其用途又可具体分为空间物理探测卫星、通信卫星、天文卫星、气象卫星、地球资源卫星、侦察卫星、导航卫星、测地卫星等。     

“环境物理”课程教学与实践

环境物理学是一门研究物理环境与人类相互作用的科学."环境物理"旨在给非理工科类的学生了解物理性环境的概念,学会利用物理学的原理和技术,认识和治理我们所面临的各种物理性环境污染问题,提高学生的科学素养.     

地基引力波探测激光干涉仪的真空残余气体噪声分析

引力波是时空弯曲产生的涟漪波动.引力波探测对促进人类认识自然和科学技术进步均具有深远意义.由于引力波信号非常微弱,地基引力波探测器需要超高真空环境来保证激光干涉仪的稳定运行.本文阐述了残余气体噪声对地基引力波探测装置灵敏度的影响,并从第三代地基引力波探测原型机和全尺寸装置的真空系统设计出发,通过理论分析和模拟,给出真空系统压强、环境温度、残余气体质量和种类、测试质量的曲率半径等因素对引力波探测灵敏度的影响.这为引力波探测原型机和全尺寸装置的真空系统设计和建设提供了重要的理论依据.     

探测地球内部隐秘的望远镜

 在我们的卫星已经飞向太阳系的时候,我们的钻头却最远只能钻到脚下12公里的深处。这便是“上天有路,入地无门”的现实。为了探测地球内部的隐秘,科学家们要给地球深深地钻上几个窟窿,向地球内部发起了挑战!美国科学家要把探测器送到地心由于时下非典流行,影院的生意相当冷清。但也有票房不差的,庄·阿米尔执导的好莱坞科幻片《地心浩劫》(TheCore)公映以来,就吸引到不少戴口罩的观众,成为近日卖座榜首片。地球物理学家乔什·凯斯博士无意中发现了一场可能会导致全球人类灭亡的大灾难,从而拉开了这部影片的序幕。     

从磁电统一到统一场论的发展──纪念电流磁效应发现160周年

一、古代对磁和电的认识人类对于磁和电现象的认识是很早的．在早期的人类活动中,就观察到高纬度地区的北极光,太阳表面上的黑子和大气中的雷鸣、电闪这类自然界的磁、电现象．虽然在很长的时期中,人们认识不到这些自然现象的磁和电的本质,但历史上留下来的丰富的记录却为研究地球和太阳活动以及古气候学等提供了宝贵资料．我们祖国对于磁和电现象很早就有记载．北极光是一种重要的地磁现象．据《史记·五帝本纪》记载,相?...     

亚洲的暴风雨与地球的旋转

地球自身的旋转轴经受着多种旋转力的作用，例如二分点（即旋转轴处于春分、秋分点时）的进动等．最近发现有两个重要的旋转运动不被人注意地相互间抵消了．比利时的地球物理学家S．Lambert博士精确地测量到了这类在常规下是很难探测到的微弱晃动．这两个晃动分别是现在还不太明白其起因的钱德勒章动（Chandler wobble），这个章动的周期是433天．另一个是起源于地球上气候变化引起的晃动．这两个运动的综合后果应该导致地轴发生大于10米的移动．但由于这两个晃动的相互抵消作用，从2005年12月到2006年2月这段时间，地轴的移动却降低到了1米以下．     

认识和探测宇宙的基本方法介绍

人类对宇宙最早的认识和观测始于可见光,之后由于有1865年麦克斯韦对电磁波的预言,1887年赫兹的证实,以及1933年杨斯基发现银河系的射电辐射,可见光观测自此扩展到电磁波多波段观测,出现了多波段天文学。1912年,赫斯发现宇宙线,使得天文观测在电磁波观测之外多了一种手段,拉开了多信使天文学的序幕。1987年,戴维斯和小柴昌俊发现了来自超新星爆发的中微子信号,这也是人类首次探测到了来自宇宙的中微子,至此又多了一种认识和观测宇宙的信使。此后,2016年美国激光干涉引力波观测站LIGO探测到引力波,在补齐对于验证爱因斯坦广义相对论的最后一块拼图的同时,也使得引力波成为多信使天文学中最新引入的一种信使。本文介绍了电磁波、宇宙线、中微子、引力波这四种信使的基本概念、发现历史以及探测宇宙的基本原理,对其代表性的实验进行了收集整理,并就其中的一个典型实验进行了简要介绍。期望能够就多波段多信使天文学的发展历程给出一个比较完整的描摹。     

宇宙航行--"从低速到高速"之四

出于对自然界知识(包括我们周围宇宙的历史和现状)的渴求以及生产生活的需要(如获取资源和通讯)，人类正在把它的活动扩大到太空．1957年10月苏联把第一颗地球卫星送上了轨道，一个月后美国发射了另一颗，1961年苏联把载人宇宙飞船送上了天，第二年美国也完成了同样的任务．1959年9月苏联第一个把一颗探测器送到月球上．1969年7月美国第一个把人送上了月球并使之安全地返回．我国的第一颗地球卫星于1970年4月发射成功；1984年4月又发射了我国第一颗通讯卫星．2003年10月将杨利伟送入围绕地球的轨道上遨游了3圈．从1977年，美国等国又开始了对于太阳系其他行星的探测．     

解密引力波——时空震颤的涟漪

引力波由时空弯曲引起,并以光速传播.爱因斯坦通过广义相对论预言了引力波的存在.2015年9月14日LIGO引力波天文台首次探测到引力波信号,这是人类首次直接探测到引力波,也是首次探测到双黑洞并合事件.我们特别邀请LIGO科学联盟的两位教授从他们的实际科研工作出发,向我们详细解密引力波的前世今生.     

寻找另一个地球

系外行星尤其是宜居行星的搜寻与刻画,是天文学研究的热点前沿问题。寻找另一个地球,是回答“生命如何起源？”,“人类是否孤独？”等重大科学问题的关键。文章结合理论和观测,对现有的行星形成演化理论和系外行星探测方法做了简要介绍,并说明现有的探测技术很难探测到“另一个地球”。此外,主流的探测方法,如视向速度法、凌星法,都是通过恒星变化探测行星,属于间接探测。未来的系外行星刻画需要直接获取来自行星的光子,因此直接成像是未来系外行星探测的趋势。合成孔径光干涉成像法可以同时实现高对比度和高空间分辨率,未来可用于对“另一个地球”的直接成像。中国提出的“觅音”计划,有望首次实现系外行星的光干涉成像,在寻找“另一个地球”上取得重大突破。     

《相对论、宇宙与时空》连载——人类早期对宇宙的认识

今年是天文望远镜发明400周年．望远镜的发明彻底改变了人类仅凭肉眼观察天象的历史，使人类的视线得以深入宇宙的深处和遥远的过去．由于光信号的传播需要时间，我们看到的天体都是它们过去的样子，越远的天体图像越古老，因此望远镜不仅在看远方，而且在看历史．天文望远镜的出现，极大地加深了人类对宇宙和时空的认识，也极大地促进了天文学和物理学的发展．相对论和现代化时空理论、现代宇宙学的创立和发展，都离不开望远镜的贡献．本刊特以《相对论、宇宙与时空》为题，发表连载文章，以纪念发明天文望远镜这一科学史上的重大历史事件．更多的内容请参见本文作者的专著《物理学与人类文明十六讲》（高等教育出版社，2008年9月出版）．     

嫦娥三号极紫外相机几何定位方法及其应用

针对嫦娥三号极紫外相机影像由于缺少控制点约束而无法沿用地球遥感影像几何定位方法的现状,研究了极紫外相机的工作原理、涉及的坐标系统及其转换关系,提出了一种基于星上遥测参数和严格坐标转换关系的几何定位方法,进行了影像数据几何定位及定位精度分析.研究结果表明,该方法能够解算影像拍摄时刻极紫外相机光轴在太阳磁层坐标系中的指向,以及着陆器在该坐标系中的位置,精确定位影像中地球质心的位置,校正相机光轴指向在原始影像中对应的位置,确保极紫外相机探测数据的科学应用价值,实现嫦娥三号空间环境探测的科学目标.