第一章地球的空間動力學環境

第一章地球的空間動力學環境第一節比較行星學第二節地球空間電磁環境第一節比較行星學

ComparativePlanetology人類對地球的認識的飛躍，一方面來自對地球自身特別是其深部過程的了解，另一方面來自人造衛星和各種行星探測器獲得了豐富的全新的資料。從更廣闊的角度來觀察和了解地球，把地球作為太陽系的行星之一，與其它行星作比較和研究。在太陽系中，類地行星（水星、金星、火星，以及地球的衛星月球），與地球更為相似。另外，大行星的一些衛星，也有可比擬之處。對它們的研究，對地球動力學研究很有啟發和借鑒。比較行星學比較行星學是天文學、地球科學、空間科學和空間探測交叉滲透產生的一門新興學科；它以地球科學的研究為基礎，將地球置于太陽系的時空尺度里；對比研究太陽系各類天體（重點為類地行星）的物質組成、大氣層的成分與結構、空間與表面環境、地形地貌與地質構造、內部結構與物理場等共性與特性，綜合分析研究地球、各行星和整個太陽系的形成演化特點與規律。太陽系和行星太陽系：由太陽、行星及其衛星、小行星、彗星和行星際物質組成的一個天體系統。行星類地行星：水星、金星、火星，地球相對質量小、體積小、密度高、旋轉慢、衛星少甚至沒有、揮發性元素豐度較低，具有固體巖石表面，可用地質學的方法進行研究。類木行星：木星、土星、天王星、海王星、冥王星（2006年剔除）主要由氫、氦和其他輕元素組成，它們質量大、體積大、密度低、旋轉快、衛星多、揮發性元素豐度很高。冥王星是一個小的石質行星，具有獨特的運動軌道和物理化學性質。1.1太陽系類地行星和

類木行星水星金星地球火星木星土星天王星海王星密度質量水星金星地球火星木星土星天王星海王星冥王星水星金星地球火星木星土星天王星海王星冥王星波德定律

行星N預測日心距實測日心距水星43.9金星04+3=77.2地球14+3X21=1010.0火星24+3X22=1615.2小行星34+3X23=2827.7木星44+3X24=5252.6土星54+3X25=10095.5天王星64+3X26=196192.0海王星74+3X27=388300.7(冥王星)84+3X28=772395.2到太陽距離軌道偏心率2006年，國際天文聯合會，立下了行星的新定義：一顆行星首先要是一個天體，它滿足(a)圍繞太陽運轉，(b)有足夠大的質量來克服固體應力以達到流體靜力平衡的(近于圓球)形狀，同時(c)清空了所在軌道上的其他天體。比較行星學太陽系類地行星：水星、金星、火星，以及地球的衛星月球類木行星：木星、土星、天王星、海王星太陽系各星體大體在同一時刻有共同起源，有特點，又有共同點。組成、內部構造和外部特征由各自的形成過程和隨后的地質過程所形成和改變的。地質過程由物質和能量兩方面決定。當今，太陽系探測的6個重點領域是：（1）月球探測；（2）火星探測；（3）水星與金星的探測；（4）巨行星及其衛星的探測；（5）小行星探測；（6）彗星的探測。類地行星水星金星地球（月球）火星1.2水星Mercury取自信使神太空船的水星合成影像水星Mercury幾乎沒有大氣層(p<0.003大氣壓)。表面很象月球，充滿了不同大小的環形山和洼地。隕石沖擊期比月球火山活動強烈。有一些延伸20-500km，高幾百米到3km的懸崖，可能是冷卻收縮而產生的構造，其形成時間比較古老。高地和洼地反射率相近而為淺色，與月球不同。水星的平均密度為5440kg/m3，高密度表明它可能有一個被硅酸巖石覆蓋的巨大鐵核。水星有磁場，相對它的大小來說磁場是很強的，可能源于核的液體部分的發電機作用。

撞擊盆地和坑穴信使號飛越水星的第二張影像。柯伊伯撞擊坑剛好位于中央。廣泛的射紋系統來自頂部附近的北齋撞擊坑。水星的卡洛里盆地是在太陽系內最大的撞擊特征之一。水星磁場水星仍有值得注意的全球性磁場。強度僅有地球的1.1%。像地球一樣，水星的磁場是雙極的。這個磁場可能是經由發電機效應形成的，有些類似于地球的磁場。1.3金星Venus經過處理后的金星圖像。其表面被一層厚厚的云遮蓋著。金星Venus大小、整體質量和密度都與地球相似。公轉周期225日，以243天周期逆行自轉，一金星日相當117地球日。有主要為CO2構成的濃密的大氣層，表面大氣壓接近10MPa（90大氣壓），表面溫度達480C。（鉛可以熔化），水蒸汽含量微不足道。云層迅速運動（4日環金星旋轉一周）。盡管大小與地球相似，也有鐵核，可沒有全球性磁場。（可能自轉太慢的原因）雷達測高表明有平原和高地，高地為大面積隆起，有的面積相當兩個青藏高原。有地山脈高于平均半徑12km。有構造運動，有火山活動，有隕石沖擊，但沒有板塊構造。表面3－5億年玄武巖漿重新更新。金星地形在金星表面的大平原上有兩個主要的大陸狀高地。北邊的高地叫伊師塔地，擁有金星最高的麥克斯韋山脈（大約比喜馬拉雅山高出兩千米），大約有澳大利亞那么大。南半球有更大的阿佛洛狄忒陸，面積與南美洲相當。火山活動垂直方向被放大了22.5倍的馬特山撞擊坑在金星表面的撞擊坑（影像由雷達數據重建）隕坑裂谷1.5火星Mars火星MarsLowell曾發現運河、極冠，火星人成為科學幻想小說主題。大氣壓為5-7mbar，海盜著陸點夏季平均溫度為-60C，冬季為-120C。地形極復雜，可分為古老地形(高地)、經改造的地形(平原、運河、溝槽地形等)，火山地形，及極地地形等。最大的火山直徑600km，高8km，遠大于Hawaii。鮮明的水流痕跡。人們曾經認為河道是古老的痕跡，但現發現新老皆有。火星地質條件火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、礫石遍布，沒有穩定的液態水體。二氧化碳為主的大氣既稀薄又寒冷，沙塵懸浮其中，每年常有塵暴發生。與地球相比，地質活動不活躍。火星地表地貌大部份于遠古較活躍的時期形成，充滿撞擊坑，有密布的隕石坑、火山與峽谷，包括太陽系最高的山：奧林帕斯山和最大的峽谷：水手號峽谷。另一個獨特的特征是南北半球的明顯差別：南方是古老、充滿隕石坑的高地，北方則是較年輕的平原，兩極皆有主要以水冰組成的極冠，而上覆的干冰會隨季節消長。火星地形古瑟夫撞擊坑充滿沙石的地表Endurance撞擊坑中的沙丘火山EnormousShieldVolcanoesOlympusMonsis600kmacrossitsbaseandabout25kmabovethesurroundingplain.火星探測的科學目標進一步探測近火星空間和火星表面的環境，包括火星磁層、電離層、磁場和重力場的特征；檢測火星大氣層的結構、成分，氣象和氣候特征及其變化特征，尋找過去氣候變化的證據，研究火星氣象與氣候的演化歷史及未來變化趨勢；精細探測火星地形、地貌、地質構造，土壤與巖石的礦物與化學成分特征，特別是沉積巖的分布范圍、形成的相對年齡，研究火星水體產生、演化與消失過程的探測與研究；火星內部結構的探測及與地球的對比研究，探討類地行星的演化史；尋找火星曾經發育過生命的證據；探測火星上可能存在的可利用資源；在火星上建立觀察站和實驗室的探索研究。1.6Moon月球從地球的北半球看見的剛過滿月的月球。月球結構月球是一個已經分異的天體，即它擁有地殼、地幔、和核心。地殼的平均厚度約為50公里。內核富含固態鐵，半徑大約為240公里。此外還有一個流體的外核，主要成分是液態鐵，半徑大約為300公里。地球的衛星-月球月球上有“海”、高地、環形山等。海為暗色，巖石富Ca、Al。高地為亮色，富Fe、Mg等。多數礦物與地球相同，但無水，無游離氧。月表復蓋月壤，厚1-10m。為隕石、宇宙塵和宇宙射線的產物。60km月殼，下為月幔，可能有核。月震發生在800-1000km深部，每年約3000次。由潮汐力引起。月震年釋放能量僅為地震的100億分之一。也記到10kg以上的隕石沖擊，每年約70-150次。1964到1969年先后有10次空間探測器，1969年Apollo-11在月球登陸后，人類又9次登月取樣，得到381.3kg月巖樣品。最年輕的熔巖(海)31-38億年，高地年齡為40-43億年，熔融分異估計在44億年前，釹-釤法定最老的綠色巖46億年。最初幾百萬年月球表面可能全部熔化，然后外殼冷卻，31-38億年巖漿活動，現在已成為死的星球。海下有高密度體(質瘤)，冷而強的月體可以支持，幾乎沒有磁場。月球地形在月球表面上用肉眼可以清楚看見有黑暗的，相對平坦的平原，稱之為月海。月球上較亮的部分被稱為“高地”，因為它們高于大多數的月海。另一個會影響月球表面地形的主要地質事件是撞擊坑。高地海月球重力和磁場月球的重力是地球的六分之一。月球重力場主要的特征是擁有質量瘤，即在一些巨大的撞擊盆地卻反而出現較重的重力分布，這可能與組成這些盆地的玄武巖熔巖流密度較大有關系。月球擁有一個強度不到地球磁場百分之一，范圍在1至數百nT之間的外在磁場。月球上已被發現有類似質量瘤的異常的磁場區。月球的磁場并不是由液體金屬核心產生的，而可能是在月球演化的歷史早期被磁化而一直保留至今的地殼磁場。位于史密斯海的測繪圖（上圖）及對應之引力圖（下圖），這個地方有一個和地形相反的質量瘤。登月1.7Jupiter木星木星的彩色卡西尼合成影像。星球上黑點為木衛二的陰影。木星木星是一個巨大的液態行星，最外層是木星的大氣。木星的大氣組成中，按分子數量來看，81%是氫氣，18%是氦氣，按質量則分別是75%和24%。形狀由于自轉快速而呈現扁球體（赤道附近有略微但明顯可見的凸起）。外大氣層明確依緯度分為多個帶域，各帶域相接的邊際容易出現亂流和風暴。最顯著的例子是大紅斑，最晚在17世紀時人們便以望遠鏡首度發現它的存在。環繞著行星的是松弱的行星環系統和強大的磁層。木星具有比地球強大14倍的磁場，從在赤道的4.2高斯到在兩極的10-14高斯，使之成為太陽系（除太陽黑子）中最強的磁場。這個磁場被認為是由液體金屬氫內核內的導電物質渦流運動渦電流產生的。木星至少有67個衛星，其中有4個主要衛星，1610年由伽利略發現，合稱伽利略衛星。衛星中體積最大的木衛3直徑甚至大于水星。大紅斑液態金屬氫液態分子氫木星環光環系統是太陽系巨行星的一個共同特征，主要由細小的塵埃和雪團等物質組成。和冰組成的絢爛多姿的土星光環相比，木星的光環則顯得黯淡了很多，但也可以分成四圈。木星起碼有十六顆衛星，1979年旅行者拍的主要的四顆衛星照片使人們可分辨它們表面600米的特征。木衛1-Io木衛2-Europa木衛3-Ganymede木衛4-Callisto木星衛星1.8土星Saturn土星環1.9天王星Uranus1.10海王星Neptune比較行星學太陽系各星體大體在同一時刻有共同起源，有特點，又有共同點。組成、內部構造和外部特征由各自的形成過程和隨后的地質過程所形成和改變的。地質過程由物質和能量兩方面決定。對物質的描述包括化學組成、質量和大小，它們影響天體的熔點、強度、產熱、傳熱和冷卻特性。化學組成、質量和大小與它們到太陽的距離有明顯的關系。推動行星內部動力過程的主要能源是熱能，包括行星凝聚形成時重力位能轉化的原始熱能、放射性元素（包括一些短半衰期放射性元素）產熱、核幔分異放熱、內核凝固釋放潛熱等。

隕星撞擊、物質分異、火山和構造運動幾乎在所有行星和衛星上發生。大氣及其它液體的物理和化學作用在有些行星和衛星上也至關重要。

類地行星大氣層與水體的形成與演化過程的比較大氣層是包裹在行星最外層的氣體物質，它提供了關于行星內部的平均組成、形成模式。大氣層與水體的起源和演化是研究行星演化歷史的重要線索。行星質量的大小及與太陽的距離對行星大氣層和水體發育的制約。地球和金星質量最大，逃逸速度最大，可將更多的氣體“束縛”在它們表面，因此它們的大氣有著復雜的組成和較大的密度。火星質量較小，逃逸速度不到地球的一半，在漫長的演化歷史中，大氣逐漸逸散進入太空，大氣密度變得很稀薄。水星質量更小，而且最靠近太陽，不僅太陽風的驅趕作用強烈，而且表面溫度高，氣體分子的熱運動更加劇烈，加劇了大氣的逸散，所以水星的大氣層極為稀薄，并且主要為太陽風成分。月球質量最小，幾乎沒有大氣層，更沒有水體的發育。類地行星地形地貌與地質構造的共性與特性的比較對類地行星及衛星的地貌、表土成分與結構、地層與地質構造的探測研究表明，行星表面布滿各種撞擊坑、火山地形與熔巖流、線性與環形構造，構成了行星表面的特有景觀與地層-構造體系。強烈的火山活動和持續的撞擊作用，是太陽系行星早期歷史的共同特征。行星的質量主導著行星內營力作用，而行星與太陽的距離控制著外營力過程，內外營力的結合構成了各行星的表層特征。（1）質量小的行星在表面能保持古老的火山地形和撞擊形成的盆地、環形撞擊坑等。水星早期發生了幾乎完全的熔融，產生過劇烈的構造巖漿和火山活動，并分異成殼、幔和核。在此后的5億年里，核和幔逐漸冷卻，外殼處于擠壓狀態。由于星體的收縮，水星發育了全球性的斷裂體系。水星表面很像月球，布滿了大小不等的撞擊坑（環形山）和盆地。月球在距今31.5億年前，水星可能在距今15~20億年前，基本上終結了構造巖漿和火山活動。（2）質量大的行星，形成后受到急劇的加熱，早期產生過全球性的強烈的構造巖漿活動，行星內部的物質熔融、分異、調整現今仍在持續進行，核、幔、殼的相互作用，構造運動、巖漿活動至今仍保持明顯的活躍。金星表面沒有水體的發育，廣泛的火山活動產生了大量火山熔巖，最古老的地質單元的形成年齡大約為8億年。金星現在還有火山活動，但熱點不多。（3）火星介于兩者之間，具有過渡型的性質，早期構造巖漿活動劇烈，內部物質分異調整尚不充分。內部熱能的積累與失散也介于水星和地球之間。火星和地球兩個行星之間主要的差別是構造運動的差異，火星的殼是固定的，缺乏板塊運動的特征。火星地殼的動力學與地球完全不同，盡管火星歷史的大部分時期都有火山活動和構造運動，但巖石圈并不與下伏的軟流圈發生物質循環。類地行星的熱歷史與內部結構的比較根據類地行星熱歷史的研究，行星的質量大小與行星內部活動的“壽命”正相關，與行星冷卻固化的時間反相關。太陽系探測的成果表明，地球具有典型的偶極子磁場，表明內部具有帶電流體的運動；火星則是多極子磁場，表明內部具有多區域性的帶電流體的運動；而月球已經基本上喪失了原有的全球性偶極子磁場，是一個內部固化的、僵死的天體。看來，類地行星磁場的演化必然遵循由偶極子磁場向多極子磁場進一步向消失磁場的過程演化。小結行星的質量大小決定了行星內部能量的產生、積累與傳導，制約了行星內部圈層結構的構成，主導了行星的巖漿活動與演化能力，影響了行星大氣層和水體的發育。行星與太陽的距離，決定了行星整體的初始成分，制約了行星的空間環境、表面大氣層和水體的發育、表生地質作用過程與表面環境。質量小的類地行星（水星、月球），形成后受到急劇加熱，早期構造火山活動劇烈，并分異成殼、幔和核，但內部物質分異調整不充分。質量大的類地行星（地球、金星）形成后受到急劇加熱，產生強烈的構造巖漿作用與火山活動。行星內部物質持續分異，殼、幔和核仍在形成演化中。行星仍保持明顯的構造巖漿與火山活動。目前除地球外沒有發現其他行星與衛星具有板塊構造，也許海底擴張、大陸漂移與板塊運動是地球特有的地質演化特征。第二節地球空間電磁環境Wherearewe?

我們所在的太陽系離銀河中心大約28000光年，太陽是銀河系中一個普通的恒星。太陽是離人類最近的恒星，是地球上除了原子能以外的其它能源的直接和間接創造者。日地空間環境在很大程度上由太陽電磁波輻射和粒子輻射性質決定。太陽爆發現象在地球磁層附近會引起一系列的地球物理現象。SunHeliosphere

（日球層)磁層電離層高層大氣Planets日地系統Solar-Terrestrialsystem太陽電磁輻射太陽風等離子體行星際磁場太陽高能粒子銀河宇宙線日冕物質拋射電磁輻射粒子輻射Solar-Terrestrialsystem太陽風(Solarwind)由于日冕的超聲速膨脹,太陽把高度導電的等離子體以約500km/s的超聲速度發射到行星際空間.這種等離子體太陽風(Solarwind),主要由電子和質子組成,也混合了約5%的氦離子.由于它的高導電性能,太陽磁場被凍結在太陽風里且被膨脹的太陽風拖著向外運動.2.1日地空間的基本結構舷激波和磁鞘當太陽風遇到地球偶極磁場時不可能簡單地穿透進來,而是被減速下來,并在相當大的空間范圍內繞流過地磁場.由于太陽風以超聲速沖擊障礙物,就產生了所謂舷激波(bowshock),這里等離子體被減速,粒子動能的一部分轉換為熱能.在舷激波后面被加熱過的亞聲速等離子體區稱為磁鞘(magnetosheath)日地空間的基本結構磁層(magnetosphere)在磁鞘里激波下游的太陽風等離子體不容易穿透進入地球磁場,而多數是繞流過它,這是由于行星際磁場不能穿透進入地球磁場,且由于太陽風高導電等離子體的凍結特征使它的粒子也不能離開行星際磁場.把太陽風和地球磁場分離開的邊界稱為磁層頂(magnetopause),而由地球磁場所產生的空穴(cavity)被稱為磁層(magnetosphere)太陽風的動壓使地球磁場的靠外部分發生了崎變,在其前邊磁場被壓縮,而夜側磁場則被拉長成一個長長的到達月球軌道以遠的磁尾(magnetotail).日地空間的基本結構PlanetMagnetosphere磁層ElectricCurrentsinMagnetosphere輻射帶(radiationbelt)，在地球周圍一定的空間范圍內存在大量的被地磁場捕獲的高能（200keV－幾十MeV）帶電粒子，此捕獲區被稱為輻射帶。地球輻射帶由內輻射帶和外輻射帶組成。內輻射帶主要由高能質子構成，距地面較近，在赤道面上分布在地心距離1.1-3.3地球半徑的范圍內。外輻射帶主要由高能電子構成，距地面較遠，在赤道面上分布在地心距離3-9個地球半徑范圍內，中心區高度約為4個地球半徑。日地空間的基本結構但在南大西洋巴西海岸附近，內輻射帶可以降到250公里左右。這稱之為南大西洋異常區（SouthAtlanticAnomaly）。等離子體層是一個在輻射帶內部的環形球狀體,它包含較冷而稠密的電離層來源的等離子體，它與地球共轉.在赤道面上,等離子體層延伸到約4Re左右的邊界,這里電子密度急劇下降到1cm－3

左右,該邊界稱為等離子體層頂(plasmapause).日地空間的基本結構lobe電離層(ionosphere)照射到地球大氣層的太陽紫外線使部分中性大氣層電離.在約80km以上高度,迅速產生復合的碰撞很不頻繁,形成永久電離的粒子群,稱為電離層.電離層延伸到相當高的高度上,在低緯和中緯逐漸合并為等離子體層。日地空間的基本結構lobe根據無線電工程師學會(IRE)定義，電離層是指距地球地面約60km到1000km左右高度之間的區域，在該區域存在大量的離化粒子(電子和離子)，足以影響無線電波的傳播。換言之，電離層是離化的大氣層。電離層(Ionosphere)來自太陽的電磁輻射太陽風與磁層帶電粒子地面和大氣層擾動電離層的外部作用因素來自太陽的電磁輻射太陽風與磁層帶電粒子地面和大氣層擾動電離層的外部作用因素Equatorialandlow-latitudesystemPolarandhigh-latitudesystemCouplingsystembetweenhigh&lowlatitudes電離層耦合系統空間天氣研究系統中的電離層表.一些地球物理等離子體區的典型參數

磁層空間暴包括磁層亞暴、磁暴和磁層粒子暴。磁層亞暴是磁層中巨大能量的釋放過程，包括電離層亞暴、極光亞暴、磁亞暴和熱層亞暴，可引起整個磁層和電離層的劇烈擾動。磁層亞暴約每天發生3－4次，每個磁層亞暴釋放的能量相當于一個中等地震的能量。磁暴是強環電流引起的全球性的磁場活動，可引起全球性的電離層和高層大氣擾動，每次磁暴可持續十幾小時到兩天。磁層粒子暴是近地磁層各類粒子爆發性增強事件，對航天活動有重要影響。

激發磁層空間暴的最終來源是太陽。2.2磁層空間暴

當太陽風與磁層的相互耦合增強、時間延長時，地磁活動增強并將發展成磁暴。磁暴過程可以分為初相，主相和恢復相。典型的磁暴將持續1－5天。初相的長度不確定，可以從0到25小時以上。主相持續大約一天，恢復相可能會持續許多天。Dst在50－150nT量級的磁暴幾乎每個月都發生，擾動在150－300nT的情況每年能發生幾次，而超過500nT的情況每個太陽周內只有幾次。1.磁暴磁暴通過研究磁暴主相期間擾動場的空間分布發現，擾動場在全球幾乎是均布的，其方向平行于地球的偶極軸（即向南）。這樣的擾動是由環繞地球的電流產生的，這種電流稱為環電流。環電流是由位于3－5RE范圍內，沿VanAllen輻射帶漂移的帶電粒子形成的。初相是由磁層頂電流造成的，太陽風動壓的增加使磁層頂電流加大并靠近地球，其產生的擾動場在地面上指向北。恢復相是由于輻射帶中的粒子損失，環電流的強度下降所形成的。

當IMF出現南向分量，由太陽風流入磁層的能量增加時，這些能量儲存在地球磁尾，一旦有大的擾動，會以劇烈的形式釋放出來，引起磁層、電離層內發生劇烈的有序變化，這稱為亞暴。亞暴最為顯著的表現是極光。亞暴期間，平靜的極光弧突然發出耀眼的光彩。在大約一小時的時間內，極光經歷一系列與時間和地點相關的有序演變。伴隨著極光，也產生了磁擾。典型的擾動幅度為200－2,000nT，持續時間為1－3小時。

2.亞暴

極光就象一面鏡子或電視機的熒光屏，反映出磁層的活動情況。

在一個典型的孤立亞暴期間，相應于極光電流系統，磁層的磁場、等離子體經歷了一系列明顯的變化。在磁層中亞暴有三個相，增長相，膨脹相和恢復相。目前關于亞暴模型有很多，但其中最重要的兩個模式是近地中性線(NENL)模式和電流片中斷模式。EnergydissipationMagnetosphereIonosphereEnergeticparticleacceleration

Plasmasheetheating

Ringcurrentinjections

PlasmoidformationJouleheating

Particleprecipitation

[Auroralluminosity]

[Kilometricradiation亞暴磁層粒子暴是指磁層空間伴隨磁暴和亞暴而產生的各種突發性粒子事件。其中最重要的對航天活動有重要影響的有磁層相對論電子事件，極光亞暴粒子事件和同步軌道粒子注入事件等。3.磁層粒子暴：粒子事件2.3太陽風暴來自于太陽的日冕物質拋射（太陽風暴）對地球空間有巨大的影響。太陽風暴會在地球空間激發大磁暴。從而使地球磁層，電離層和中高層大氣發生劇烈變化。在太陽風暴驅動磁暴過程中產生的輻射帶高能粒子和太陽風暴直接加速產生高能粒子充滿著地球輻射帶，不僅會使高能粒子通量顯著增長（10－100倍），而且還會改變整個輻射帶的結構和位置，從而對在軌航天器產生巨大危害。2.4空間等離子體基本理論什么是空間等離子體？自然界由物質組成，一切物質都處于永不停息的運動中。物質存在的形態等離子體是由大量正、負電荷數相等的帶電粒子組成的非凝聚系統。等離子體狀態是物質存在的基本形態之一，與固態、液態和氣態并列，稱為物質的第四態。宇宙中大部分物質處于等離子體狀態，人造等離子體在科學技術中的重要性正在迅速提高。等離子體物理學研究等離子體的基本運動規律。等離子體的主要特征是：粒子間存在長程庫侖（Coulomb）相互作用。等離子體的運動與電磁場的運動緊密耦合，存在極其豐富的集體效應（collectiveeffect）和集體運動模式。等離子體物理學以等離子體的整體形態和集體運動規律、等離子體與電磁場及