Space Exploration - pku.edu.cn · (第二节) 傅绥燕 ... –对流层：地表至17~18km。...

太空探索

太空探索 Space Exploration

(第二节)

傅绥燕地球与空间科学学院

太空探索

第一篇太空概览

第二章地球空间

大气层

太空探索地球空间

bull 什么是地球空间

ndash 《太空探索》上的定义

靠近行星地球的受太阳辐射变化直接影响的空间区域

1 首先ldquo地球空间rdquo应该是地球的一部分

2 其次它是传统地球区域之外的部分



下边界大约60 km 高度

上边界几十个地球半径

ndash 主要物质特征

等离子体Plasma

(物质的第四形态)

由带电粒子组成的中性物质（微观为带电粒子宏观电中性）

ndash 主要环境特征

ndash 地磁场

太空探索地球空间 bull 等离子体（plasma）

ndash等离子体是物质形态的第四种

固体液体气体等离子体中子态

太空探索地球空间 ndash等离子体特点

bull微观上由带电粒子（离子和电子）

bull宏观上电中性电子和离子的电荷数量相同


bull 地球空间构成

ndash中高层大气

地球大气的延伸

ndash电离层

大气受太阳辐射的电离气体

ndash磁层

太阳风与地磁场相互作用 bull 内磁层

bull 外磁层

bull 磁尾

bull 辐射带

太空探索地球空间之大气层

bull 大气层的基本特征

ndash低层大气（地表）主要成分

气体容积百分比

100 质量百分比

100

分子量

amu

N2 氮 781 7552 2802

O2 氧 209 2215 3200

Ar 氩 093 128 3996

CO2 003 005 4402

H

zzpp 00 exp

kT

Mp

Mg

kTH T温度M分子量

k波尔兹曼常数

g重力加速度



中高层大气成

份由三个部分

制约

1 低层大气向上

扩散

2 磁层离子进入

3 受太阳辐射影

响的光化学过

程



ndash压力

高度

（km）

大气压强

（P0）

高度

（km）

大气压强

（P0）

0 1 135 10-8

16 10-1 220 10-9

31 10-2 350 10-10

48 10-3 520 10-11

65 10-4 730 10-12

80 10-5 1100 10-13

92 10-6 2100 10-14

108 10-7 50000 10-158

H

zzpp 0

0 exp

大气标高（H）

火星111 km

地球7~9 km

太阳的光球层270km



ndash压力



ndash密度高度（km）大气密度（0）高度（km）大气密度（0）

0 1 165 10-9

18 10-1 245 10-10

33 10-2 370 10-11

49 10-3 540 10-12

67 10-4 730 10-13

82 10-5 980 10-14

96 10-6 1600 10-15

110 10-7 2750 10-16

125 10-8 5000 10-187

太空探索地球空间之大气层 bull 大气层的基本特征

密度变化

ndash40公里以下周日变化 lt6

ndash50~100公里周日变化10~25

ndash100公里以上高层大气密度随太阳活动变化原因

bull太阳紫外辐射增强且被高层大气吸收

ndash随太阳活动变化变化幅度

bull 340km10倍

bull 500km50倍

ndash100公里以上大气随地磁活动而变化在磁暴发生几个小时以后密度可增加几倍甚至达10倍


温度及大气的分层

ndash对流层地表至17~18km

ndash平流层对流层顶至50km 温度随高度升高臭氧主要集中在该层

ndash中间层平流层顶以上至 85km温度随高度降低在85km附近达到最小值

ndash热层中间层顶至230~ 500km在该层温度又重新急剧升高


bull 中间层位置从平流层顶（约50公里）到热层

底（约85公里）的的稀薄气层

密度质量总和仅占地球大气总质量的

01

成分主要成分基本上与低层大气的相

同出现重要成分一氧化氮 NO

温度温度随高度急剧下降从底部的

-3左右降到顶部的-83甚至-113

以下中间层顶部是地球大气层温度最

低的地方

中间层的温度如此之低是因为本层的

氧分子氮分子等本可吸收的阳光短波

波段己在更高的气层中被吸收了因

而气温低


bull 中间层大气运动的特点空气水平运动

重直运动速度都很大特别是垂

直混合十分强烈但因空气太稀

薄风的威力不大

本层部分大气成分在太阳紫外

线等辐射作用下会发生电离

在中间层顶部有时会发出银白

色光芒即所谓气辉

探测手段中间层低于卫星飞行

高度并且探空气球不能达到

探测依赖于探空火箭激光雷达

和遥感技术运用卫星极紫外临

边遥感技术GPS掩星技术等是近

年国际上先进的中高层探测技术


bull 热层位置从中间层顶（约85Km）向

上直到离地500~600公里

在太阳平静期热层顶约在离地

250公里在太阳活动强烈的时

期厚度增大很多其顶部在离

地面500公里上

质量占地球大气总质量的

0001

成分氧离子（原子）O 氢离

子（原子）H和氮离子（原子）N

等重力分离明显

温度高日变化大白天超过

1500 夜间降到900以下


bull 热层大气运动主要是O离子的运动

探测手段除遥感探测外低轨

道航天器可以实地探测热层上部

对航天器影响热层是低轨道航

天器运行高度密度会影响航天

器轨道离子O将会对航天器表

面产生腐蚀作用

电离状态是电离层的主要区域


bull 地球大气按电离状态分层

ndash非电离层60km以下大气基本上没有被电离处于中性状态

ndash电离层 60km以上至1000km大气在太阳紫外线作用下电离形成大量的正负离子和自由电子这一层对无线电波的传播有重要作用具体又可分为DE和F层



ndash大气层对太阳辐射的阻止作用

太空探索地球空间之大气层 bull 臭氧(O3)

ndash分布10~50km 主要集中在25km 附近

ndash变化逐日逐月逐年变化随高度和纬度变化


ndash臭氧产生的过程

ndash臭氧的自然消失过程

无论臭氧的产生和消失都吸收了紫外线

MOMOO

OOOOO

MOMOO

OO)175(O

32

23

32

2

UV

nmUV

233

23

23O3OO

2OOO

OOO

UV

UV

太空探索地球空间之大气层 ndash臭氧层的破坏

2

23

O2CICIOCIO

OCIOOCI

太空探索地球空间之大气层 bull 温室气体

ndash定义能吸收地球表面辐射的红外线的气体

ndash种类CO2CH4H2OCFCl3CF2Cl2

可见光成像照片红外成像

太空探索地球空间之大气层 bull 对流层

ndash气象活动主要区域气象学大气物理学

bull 平流层

ndash控制气候的主要区域气候学

ndash平流层飞机

bull 探索中高层（ 20～100公里）大气的重要性

ndash亚轨道飞行器的飞行范围

ndash载人航天器气动加热严重的区域

ndash中程导弹飞行空间

ndash亚轨道旅游

ndash对地观测

ndash军事侦察

太空探索地球空间之大气层 bull 亚轨道飞行器俗称空天飞机

ndash飞机依赖空气动力学飞行

ndash卫星依据轨道理论飞行

ndash亚轨道飞行器介于两者之间

太空探索地球空间之大气层 bull 亚轨道飞行器

ndashX-15先后创造了672马赫速度和108公里升限的世界记录

ndashX-43A是美国国家航空航天局（NASA）旗下德莱顿飞行研究中心（Dryden Flight Research Center）所开发的极音速（Hypersonic）飞行实验机也是迄今为止人类所造出使用外进气动力的飞行器中速度最快的纪录保持者续了11秒的飞行中到达68316马赫的速度


bull 亚轨道飞行器

ndash猎鹰飞行器极超音速飞行器设计速度最高为24000公里小时(音速的22倍)飞行高度可达30-45公里



ndash太空船一号（Space Ship One）

ndash2004年6月21日太空船一号完成第一次私人资本人类太空飞行并且在10月4日达成两周之内载三个人（或相等重量物品）作两次高度100公里的飞行而飞机的替换不得超过空重（除燃料之外的重量）10的条件因而赢得1000万美元的安萨里X大奖


bull 载人航天器气动加热严重的区域

ndash航天飞机进入大气层的速度为25马赫在大气层中将产生严重的气动加热机翼前缘的温度5分钟后就增加到1100C

ndash2003年2月1日载有七名宇航员的美国哥伦比亚号航天飞机在结束了为期16天的太空任务之后返回地球但在着陆前发生意外航天飞机解体坠毁


太空探索地球空间之大气层 bull 中程导弹飞行空间

ndash中程导弹最高点100公里左右大部分在中高层大气中飞行

ndash大气密度变化引起阻力变化影响命中精度密度值比设计值增大20～40射程减小230～476km密度变化plusmn5爆高误差1km

ndash中高层大气存在风场（可达50ms）影响命中精度

bull 高层大气对卫星的影响

ndash卫星轨道

ndash卫星寿命

ndash卫星返回时的加热回落点

ndash高层大气风切变影响航天器发射成功率


bull 大气放电现象


bull 常见的雷暴闪电（对流层）

太空探索地球空间之大气层 bull 红闪与蓝急流

ndash伴随着雷暴但不是所有雷暴都产生红闪与蓝急流

ndash发生的高度40~100公里

太空探索地球空间之大气层 bull 气辉和地冕

ndash高层大气吸收太阳电磁辐射而产生的微弱光辐射称为气辉

太空探索地球空间之大气层 bull SME（Solar Mesosphere Explorer）是最早一颗专用

于中高层大气研究的科学卫星

ndash于1981年10月6日发射

轨道高度336km倾角

976deg卫星尺寸17ｍ

times13ｍ质量437kg

ndash紫外臭氧光谱仪

ndash127mm光谱仪

ndashNO2光谱仪

ndash4通道红外辐射计

ndash太阳紫外监视仪

ndash太阳质子警报探测器

ndash所有仪器在1989年4月14日关机

太空探索地球空间之大气层 bull UARS (The Upper Atmosphere Research Satellite)

ndash于1991年9月12日由ldquo发现号rdquo航天飞机携带升空１５日放飞

ndash卫星重约59吨

ndash功率15kW

ndash轨道高度585km

ndash倾角57deg

ndash设计寿命3年但星上一半以上的仪器工作时间都超过了10年

太空探索地球空间之大气层 bull Odin小卫星

ndashOdin是一颗天文和中高层大气研究双重任务的科学小卫星由瑞典加拿大芬兰和法国的空间机构共同研制

ndash2001年2月20日发射升空上天后的任务运行和控制由瑞典的Esrange空间中心负责

ndash总质量250kg（载荷80kg）

ndash功率340W

ndash太阳同步圆形轨道高度600km升交点时间1800每天绕地球15圈

太空探索地球空间之大气层 bull TIMED (Thermosphere Ionosphere Mesosphere

Energetics and Dynamics)

ndash于2001年12月7日升空圆轨道高度625km倾角74deg

ndash该卫星原设计寿命２年可延至2010 年

太空探索 TIMEDGUVI


bull Aura卫星

ndash于2004年7月15日升空是对地观测系统（EOS）中大气成分或环境监测卫星

ndash近极地太阳同步轨道高度705km每天环绕地球13圈

ndash４个遥感器（HIRDLS MLSOMI和TES）每天提供全球臭氧层空气质量和关键气候参数的观测

太空探索地球空间之大气层 bull 本节内容小结

ndash什么是地球空间

ndash地球大气分层对流层平流层中间层热层

ndash什么是高层大气

ndash臭氧产生的产生和消失过程以及人类活动的破坏

ndash亚轨道概念

思考题

ndash臭氧层对人们生活有何影响

理科学生思考题

ndash大气为什么会分层

太空探索

第一篇太空概览

第二章地球空间

大气层












等离子体Plasma




ndash 地磁场











ndash电离层


ndash磁层


bull 外磁层

bull 磁尾

bull 辐射带





100 质量百分比

100

分子量

amu

N2 氮 781 7552 2802

O2 氧 209 2215 3200

Ar 氩 093 128 3996

CO2 003 005 4402

H

zzpp 00 exp

kT

Mp

Mg


k波尔兹曼常数

g重力加速度



中高层大气成

份由三个部分

制约


扩散



响的光化学过

程



ndash压力

高度

（km）

大气压强

（P0）

高度

（km）

大气压强

（P0）

0 1 135 10-8

16 10-1 220 10-9

31 10-2 350 10-10

48 10-3 520 10-11

65 10-4 730 10-12

80 10-5 1100 10-13

92 10-6 2100 10-14

108 10-7 50000 10-158

H

zzpp 0

0 exp

大气标高（H）

火星111 km

地球7~9 km




ndash压力




0 1 165 10-9

18 10-1 245 10-10

33 10-2 370 10-11

49 10-3 540 10-12

67 10-4 730 10-13

82 10-5 980 10-14

96 10-6 1600 10-15

110 10-7 2750 10-16

125 10-8 5000 10-187


密度变化






bull 340km10倍

bull 500km50倍












01






低的地方




而气温低






















地面500公里上


0001





























MOMOO

OOOOO

MOMOO

OO)175(O

32

23

32

2

UV

nmUV

233

23

23O3OO

2OOO

OOO

UV

UV


2

23

O2CICIOCIO

OCIOOCI







bull 平流层








ndash对地观测

ndash军事侦察

























ndash卫星轨道

ndash卫星寿命



















ndash127mm光谱仪

ndashNO2光谱仪








ndash功率15kW


ndash倾角57deg






ndash功率340W








bull Aura卫星










思考题















等离子体Plasma




ndash 地磁场











ndash电离层


ndash磁层


bull 外磁层

bull 磁尾

bull 辐射带





100 质量百分比

100

分子量

amu

N2 氮 781 7552 2802

O2 氧 209 2215 3200

Ar 氩 093 128 3996

CO2 003 005 4402

H

zzpp 00 exp

kT

Mp

Mg


k波尔兹曼常数

g重力加速度



中高层大气成

份由三个部分

制约


扩散



响的光化学过

程



ndash压力

高度

（km）

大气压强

（P0）

高度

（km）

大气压强

（P0）

0 1 135 10-8

16 10-1 220 10-9

31 10-2 350 10-10

48 10-3 520 10-11

65 10-4 730 10-12

80 10-5 1100 10-13

92 10-6 2100 10-14

108 10-7 50000 10-158

H

zzpp 0

0 exp

大气标高（H）

火星111 km

地球7~9 km




ndash压力




0 1 165 10-9

18 10-1 245 10-10

33 10-2 370 10-11

49 10-3 540 10-12

67 10-4 730 10-13

82 10-5 980 10-14

96 10-6 1600 10-15

110 10-7 2750 10-16

125 10-8 5000 10-187


密度变化






bull 340km10倍

bull 500km50倍












01






低的地方




而气温低






















地面500公里上


0001





























MOMOO

OOOOO

MOMOO

OO)175(O

32

23

32

2

UV

nmUV

233

23

23O3OO

2OOO

OOO

UV

UV


2

23

O2CICIOCIO

OCIOOCI







bull 平流层








ndash对地观测

ndash军事侦察

























ndash卫星轨道

ndash卫星寿命



















ndash127mm光谱仪

ndashNO2光谱仪








ndash功率15kW


ndash倾角57deg






ndash功率340W








bull Aura卫星










思考题














ndash电离层


ndash磁层


bull 外磁层

bull 磁尾

bull 辐射带





100 质量百分比

100

分子量

amu

N2 氮 781 7552 2802

O2 氧 209 2215 3200

Ar 氩 093 128 3996

CO2 003 005 4402

H

zzpp 00 exp

kT

Mp

Mg


k波尔兹曼常数

g重力加速度



中高层大气成

份由三个部分

制约


扩散



响的光化学过

程



ndash压力

高度

（km）

大气压强

（P0）

高度

（km）

大气压强

（P0）

0 1 135 10-8

16 10-1 220 10-9

31 10-2 350 10-10

48 10-3 520 10-11

65 10-4 730 10-12

80 10-5 1100 10-13

92 10-6 2100 10-14

108 10-7 50000 10-158

H

zzpp 0

0 exp

大气标高（H）

火星111 km

地球7~9 km




ndash压力




0 1 165 10-9

18 10-1 245 10-10

33 10-2 370 10-11

49 10-3 540 10-12

67 10-4 730 10-13

82 10-5 980 10-14

96 10-6 1600 10-15

110 10-7 2750 10-16

125 10-8 5000 10-187


密度变化






bull 340km10倍

bull 500km50倍












01






低的地方




而气温低






















地面500公里上


0001





























MOMOO

OOOOO

MOMOO

OO)175(O

32

23

32

2

UV

nmUV

233

23

23O3OO

2OOO

OOO

UV

UV


2

23

O2CICIOCIO

OCIOOCI







bull 平流层








ndash对地观测

ndash军事侦察

























ndash卫星轨道

ndash卫星寿命



















ndash127mm光谱仪

ndashNO2光谱仪








ndash功率15kW


ndash倾角57deg






ndash功率340W








bull Aura卫星










思考题








100 质量百分比

100

分子量

amu

N2 氮 781 7552 2802

O2 氧 209 2215 3200

Ar 氩 093 128 3996

CO2 003 005 4402

H

zzpp 00 exp

kT

Mp

Mg


k波尔兹曼常数

g重力加速度



中高层大气成

份由三个部分

制约


扩散



响的光化学过

程



ndash压力

高度

（km）

大气压强

（P0）

高度

（km）

大气压强

（P0）

0 1 135 10-8

16 10-1 220 10-9

31 10-2 350 10-10

48 10-3 520 10-11

65 10-4 730 10-12

80 10-5 1100 10-13

92 10-6 2100 10-14

108 10-7 50000 10-158

H

zzpp 0

0 exp

大气标高（H）

火星111 km

地球7~9 km




ndash压力




0 1 165 10-9

18 10-1 245 10-10

33 10-2 370 10-11

49 10-3 540 10-12

67 10-4 730 10-13

82 10-5 980 10-14

96 10-6 1600 10-15

110 10-7 2750 10-16

125 10-8 5000 10-187


密度变化






bull 340km10倍

bull 500km50倍












01






低的地方




而气温低






















地面500公里上


0001





























MOMOO

OOOOO

MOMOO

OO)175(O

32

23

32

2

UV

nmUV

233

23

23O3OO

2OOO

OOO

UV

UV


2

23

O2CICIOCIO

OCIOOCI







bull 平流层








ndash对地观测

ndash军事侦察

























ndash卫星轨道

ndash卫星寿命



















ndash127mm光谱仪

ndashNO2光谱仪








ndash功率15kW


ndash倾角57deg






ndash功率340W








bull Aura卫星










思考题






中高层大气成

份由三个部分

制约


扩散



响的光化学过

程



ndash压力

高度

（km）

大气压强

（P0）

高度

（km）

大气压强

（P0）

0 1 135 10-8

16 10-1 220 10-9

31 10-2 350 10-10

48 10-3 520 10-11

65 10-4 730 10-12

80 10-5 1100 10-13

92 10-6 2100 10-14

108 10-7 50000 10-158

H

zzpp 0

0 exp

大气标高（H）

火星111 km

地球7~9 km




ndash压力




0 1 165 10-9

18 10-1 245 10-10

33 10-2 370 10-11

49 10-3 540 10-12

67 10-4 730 10-13

82 10-5 980 10-14

96 10-6 1600 10-15

110 10-7 2750 10-16

125 10-8 5000 10-187


密度变化






bull 340km10倍

bull 500km50倍












01






低的地方




而气温低






















地面500公里上


0001





























MOMOO

OOOOO

MOMOO

OO)175(O

32

23

32

2

UV

nmUV

233

23

23O3OO

2OOO

OOO

UV

UV


2

23

O2CICIOCIO

OCIOOCI







bull 平流层








ndash对地观测

ndash军事侦察

























ndash卫星轨道

ndash卫星寿命



















ndash127mm光谱仪

ndashNO2光谱仪








ndash功率15kW


ndash倾角57deg






ndash功率340W








bull Aura卫星










思考题






ndash压力

高度

（km）

大气压强

（P0）

高度

（km）

大气压强

（P0）

0 1 135 10-8

16 10-1 220 10-9

31 10-2 350 10-10

48 10-3 520 10-11

65 10-4 730 10-12

80 10-5 1100 10-13

92 10-6 2100 10-14

108 10-7 50000 10-158

H

zzpp 0

0 exp

大气标高（H）

火星111 km

地球7~9 km




ndash压力




0 1 165 10-9

18 10-1 245 10-10

33 10-2 370 10-11

49 10-3 540 10-12

67 10-4 730 10-13

82 10-5 980 10-14

96 10-6 1600 10-15

110 10-7 2750 10-16

125 10-8 5000 10-187


密度变化






bull 340km10倍

bull 500km50倍












01






低的地方




而气温低






















地面500公里上


0001





























MOMOO

OOOOO

MOMOO

OO)175(O

32

23

32

2

UV

nmUV

233

23

23O3OO

2OOO

OOO

UV

UV


2

23

O2CICIOCIO

OCIOOCI







bull 平流层








ndash对地观测

ndash军事侦察

























ndash卫星轨道

ndash卫星寿命



















ndash127mm光谱仪

ndashNO2光谱仪








ndash功率15kW


ndash倾角57deg






ndash功率340W








bull Aura卫星










思考题






ndash压力




0 1 165 10-9

18 10-1 245 10-10

33 10-2 370 10-11

49 10-3 540 10-12

67 10-4 730 10-13

82 10-5 980 10-14

96 10-6 1600 10-15

110 10-7 2750 10-16

125 10-8 5000 10-187


密度变化






bull 340km10倍

bull 500km50倍












01






低的地方




而气温低






















地面500公里上


0001





























MOMOO

OOOOO

MOMOO

OO)175(O

32

23

32

2

UV

nmUV

233

23

23O3OO

2OOO

OOO

UV

UV


2

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O2CICIOCIO

OCIOOCI







bull 平流层








ndash对地观测

ndash军事侦察

























ndash卫星轨道

ndash卫星寿命



















ndash127mm光谱仪

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ndash功率15kW


ndash倾角57deg






ndash功率340W








bull Aura卫星










思考题







0 1 165 10-9

18 10-1 245 10-10

33 10-2 370 10-11

49 10-3 540 10-12

67 10-4 730 10-13

82 10-5 980 10-14

96 10-6 1600 10-15

110 10-7 2750 10-16

125 10-8 5000 10-187


密度变化






bull 340km10倍

bull 500km50倍












01






低的地方




而气温低






















地面500公里上


0001





























MOMOO

OOOOO

MOMOO

OO)175(O

32

23

32

2

UV

nmUV

233

23

23O3OO

2OOO

OOO

UV

UV


2

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O2CICIOCIO

OCIOOCI







bull 平流层








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ndash卫星轨道

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ndash127mm光谱仪

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ndash功率15kW


ndash倾角57deg






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bull Aura卫星










思考题





密度变化






bull 340km10倍

bull 500km50倍












01






低的地方




而气温低






















地面500公里上


0001





























MOMOO

OOOOO

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OO)175(O

32

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2

UV

nmUV

233

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2OOO

OOO

UV

UV


2

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O2CICIOCIO

OCIOOCI







bull 平流层








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ndash卫星寿命



















ndash127mm光谱仪

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ndash功率15kW


ndash倾角57deg






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bull Aura卫星










思考题














01






低的地方




而气温低






















地面500公里上


0001





























MOMOO

OOOOO

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OO)175(O

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地面500公里上


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MOMOO

OOOOO

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OO)175(O

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UV

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思考题



























MOMOO

OOOOO

MOMOO

OO)175(O

32

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2

UV

nmUV

233

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23O3OO

2OOO

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UV

UV


2

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O2CICIOCIO

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2

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思考题







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思考题










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思考题










思考题




Space Exploration - pku.edu.cn · (第二节) 傅绥燕 ... –对流层：地表至17~18km。...

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