雷電原理第三章晴天大氣電場

1、陳渭民編甘陳渭民編甘第三章晴天大氣電場§3.1大氣電場的基本概念3. 1.1晴天大氣電場的方向觀測表明，晴天大氣中始終存在方向垂直向下的大氣電場，這意味著大氣相對于大地帶 有止電荷,而大地帶的是負電荷人氣和人地帶異性電荷是人氣電場形成的原因同時人氣 中又存在有啃天人氣傳導(dǎo)電流，不斷中利人氣和人地所帶的電荷，使人'(電場不斷減弱。當 有云時，云中大氣電過程所產(chǎn)生的帶電降水形成降水電流，也不斷中和人'(和大地所帶的電 荷。那么，是什么原因維持恒定的人氣電過程，其原因是人氣中存在有雷暴電過程，當有雷 暴時，云地閃電及云下方地物和植物的尖端放電過程，將增加大氣和大地所帶的異性

2、電荷。 當人'(中的帶電過程和電荷中和過程達到平衡時，形成恒定的晴天大氣電場。3. 1.2晴天大氣電場的表示大氣電場強度用E表示，它與大氣電位的關(guān)系為E (X >乙尸 一 V (X y, z)(3.1)從(3.1)式可以看出，大氣中一點(x,y,z)處的電場與該點處的電位梯度相等，方向與電位的 梯度方向(指向高電位丿相反。在直角坐標x,y,z中，大氣電場的分最形式為E(x,y,z)£x(x,y,z)i + £,(x,y,z)j+(3.2)式中i、j、k分別為x、y、z軸的單位矢呈，£x(.v,y,Z)Ey(x,y,z)> E.(xtytz)分別

3、是大 氣電場在x、v、z方向上的分呈。同理，由電位表示的分量形式為E(x,”z) = -dV f dV f(3.3)人'(電場的單位為V/m。3. 1.3晴天大氣等電位面大氣中電位分布可以用等電位面表示，人氣電位的分布可以用等電位面表示，即是人氣 中電位相同各點連面的面，由于人地看成是導(dǎo)體，是一個等勢面，人氣的等電位面與人地表 面相平行。通常高度越低，晴天大氣電位面的值越?。悍粗叨仍礁咂渲稻驮饺?。若n是大氣中某一點大氣等電位面的法向矢量，且由低電位指向高電位，則該點的電場 表示為E = - n(3.4)dii上式表明，大氣電位分布密集的地方，電場較強。同時也可以看到，大氣電場和等勢面

4、與地 表面的曲率有關(guān)，可以分下面兩種情況：(1)平坦地表：對于平坦地表，晴天人氣等電位面為平行于地面的平面，單位法向矢 量n垂直向上，與坐標z軸因此晴天大氣電場只存在垂直分量而其水平分量都為0°這時有E=EZ“牛(3.5)(2)地表呈起伏或不平坦時，晴天大氣等電位面因地表起伏而變一曲面，地面的法線方 向n不再與z軸重合，等電位面與地表曲面近乎平行。因此晴天人氣電場不僅只有垂直電場, 而且有水平分量E«、EYo但是，當觀測點離地物的距離人于其垂直高度的3倍(電線桿) 或5倍(山丘)時，地形對犬'(等勢面的影響就可忽略。3. 1.4大氣電場的符號在靜電學(xué)中，電場方向從止

5、電荷指向負電荷，即為正電場；否則為負電場，因此人氣電 場垂直向下為正，與坐標軸z方向正好相反。而垂直向上為負的大氣電場。§3.2大氣電場的空間分布在實際人氣中，由于氣象、地理條件等多種原因.人氣電場隨空間和時間而變。下面對 這一問題進行討論。3. 2.1晴天大氣電場的地理分布晴天大氣電場因時因地而異，其中與氣溶膠的濃度有密切關(guān)系，它表現(xiàn)為：(1 )海洋：由于下墊面條件相近，晴天電場間的差異很小。就全球而言，海面晴天電 場約為130V/m。(2 )陸地：局地條件相差很大，各處電場的差異也很大。如我國伊寧的平均電場為 56V/m,美國斯坦福為76V/m,俄羅斯巴甫洛夫斯克為171 V/m

6、。對于人II密集地區(qū)的人城 !|J工業(yè)區(qū)，地面晴天人氣電場為130V/m以上；而在鄉(xiāng)村地區(qū)，離氣溶膠源地較遠，一般 小于 130V/nio表3.1為地面和海洋晴天大氣電場的平均值、典型值和變化范曲1。表3.1地面和海洋晴天大氣電場的平均值、典型值和變化范圍平均值常見值變化范圍陸地11580-15019-310海洋13090-15054250全球130100-15019-310(3 )緯度變化：陸地上由于各處局地條件的差異，因此地面晴天大'(電場隨緯度的變 化不十分明顯：而海上由于局地條件相近，晴大人'(電場隨緯度的變化較為明顯。在緯度 0-20°處，晴天大氣電場約為1

7、20 Vm'1,緯度20-40°N范圍內(nèi),晴天大氣電場約為125 Vm",緯度增大到40-60°N處，大氣電場明顯增人，約為155 Vm-1,最大值位于緯度50°處。再往 北，大氣電場減小。3. 2.2隨高度變化 3.2.2.1近地層大氣電場的高度分布圖31睛天大氣電場隨高度的變化(1酪林蘭索 徳*1'.2 «西哥占爾特：3美國加利福尼亞海岸)晴天人Y電場隨高度也因地因時而異， 陸地上分布較為復(fù)雜。通常晴天大氣電場隨 高度呈指數(shù)衰減的分布特征。但是即使同一 時刻，晴天人氣電場在不同高度范用內(nèi)隨高 度分布也不相同。在近地面處，晴天

8、大氣電 場將受人地電極影響，由于人地帶負電荷， 在近地面的一薄層人'(中枳聚了人量符號 相反的正電荷，而II體電荷密度在該層中很 不均勻，隨高度增加而急劇遞減的變化，T- 是形成較強的人氣電場和電場梯度。計算農(nóng) 明，當未受人地電極影響，晴天人氣電場為 50 V/m和250V/m,為受人地電極影響，晴 天人氣電場增人5%的高度為5m和26m左 右；增人1倍的高度為lm和5m。在地表處 受地極與未受地極的影響相差2.8倍。在邊界層處，由于逆溫和湍流影響，使人氣電場隨高度呈不規(guī)則分布，哄至岀現(xiàn)反常。 在圖3.1中，給出了格林蘭索德里、墨西哥占爾特、美國加利福尼亞海岸所觀測到的 晴天人氣電場隨

9、高度的分布，其中格林蘭索德里近地面睛尺人氣電場為92 V/m,然后其值 隨高度近似呈指數(shù)規(guī)律迅速遞減，大約在200m高度以上，晴天人氣電場隨高度增加而近似 按指數(shù)觀律遞減的程度明顯減弱，墨西哥占爾特、美國加利福尼亞海斥的晴天人氣電場與格 林蘭索徳里的基本相似，只是數(shù)值略有不同。3.2.2.2自由大氣中大氣電場的高度變化在自由人氣中，人氣電場的變化可以采用指數(shù)形式表示，對于(CMOS丿寫為 E(Z) = E(0 ) exp (-a z+bf)對于(10-30km),寫為EE(Z o) exp (-c z )式中電場單位取V/m,是海平面處大氣電場，E(如是高度“處人氣電場。在中歐地區(qū)，由氣球探測

10、獲得晴天人氣電場隨高度的經(jīng)驗關(guān)系為(3.6)3.2.2.3晴天大氣電場的類型晴天大氣電場可分成四類（見圖3.2）：（1 ）晴天大氣電場隨高度單調(diào)遞減，其數(shù)值始終為正，從地面23km范鬧內(nèi)，犬氣 電場隨高度分布的經(jīng)驗關(guān)系為E = EoeF（3.7）式中是地面晴天大氣電場，單位為V/m,d為系數(shù)，不同地區(qū)的d不同。（2）晴天大氣電場隨高度單調(diào)遞減，其數(shù)值低層為正，至某一高度層以上，數(shù)值為零 或負。大氣電場改變符號的高度為3-4km左右。（3 ）晴天人氣電場隨高度單調(diào)遞增，其值為止，人約在500-700m高度范闈內(nèi)，晴天 人氣電場達最人值，然后隨高度單調(diào)遞減。（4 ）晴天大氣電場隨高度變化較小，其值

11、為正。H 3.2 小；、人氣電場隨高度分布圖3.2 b第二類晴天大氣電場隨島度分布陳渭民編甘陳渭民編甘§33大氣電場的時間變化特征3. 3.1晴天大氣電場的日變化睛天人氣電場有明顯的口變化和年變化，還存在兒分鐘到十幾分鐘的脈動起伏變化。太 陽活動對人氣電場也有影響。睛夭人氣電場的口變化表現(xiàn)為峰和谷的出現(xiàn)時間，它的變化I月 地、因季節(jié)而變化。觀測衷明，人氣電場的口變化受兩種因素制約：一是全球性普遍口變化 機制，即與世界時有關(guān)，主要取決全球雷暴的口變化：二是地方性口變化機制，其變化與地 方時有關(guān)，主要決定局地人氣狀況的口變化。因此晴天大氣口變化可以寫為E(t) = EuXt)+ELt)式

12、中/是時間，&心八 乞分別是全球性普遍口變化機制和地方性口變化機制引起的晴圖32 d第四類晴天電場隨高度分布圖32 晴天大氣電場的類型天大氣電場日變化。陸地上主要受地方時影響，海洋上受世界時影響。晴天大氣電場表現(xiàn)為三種類型：（1 ）大陸簡單型（圖3,3）,表現(xiàn)為單峰、單谷，即一天中出現(xiàn)一次極大和極小。蜂值 出現(xiàn)在下午至傍晚（地方時13-19時），谷值出現(xiàn)于早晨（地方時2-6時）。一般遠離人城市的 鄉(xiāng)村為這一類型。地方時地方時圖3 3大陸簡單型地而晴天大氣電場的口變化的各地觀測的平均結(jié)果(2 )大陸復(fù)雜型(圖3.4 )：這類人氣電場典有明顯的雙峰雙谷，即一天中出現(xiàn)兩次 極人和極小。變化規(guī)

13、律決定于地方時，第一峰值于地方時上午710時，第二峰值出現(xiàn)于地 方時1821時，第一谷值出現(xiàn)于地方時26時，第二谷值出現(xiàn)于地方時13-16時。人城市和 工業(yè)區(qū)等氣溶膠濃度大的地區(qū)電場表現(xiàn)為這一型式。(3 )海洋極地型，具有單峰單谷型，它與世界時有關(guān)，峰值出現(xiàn)于地方時18-21時，谷值出現(xiàn)于26時。一年內(nèi)變化很小，廣闊的極地海洋和冰雪覆蓋區(qū)電場變化就是這種類型。3. 3.2晴天人/(電場口變化的成因地面晴天人氣電場相對口變化表示為1 dEj） 1d"）1 心）1 d 如“” ., = .“ -. “- .（ 3 .込）E（r） dt V（t） dt R&J） dt At） dt

14、式中VW是整層大氣電位差，&（/）是整層晴天氣柱電阻（海平面至電離層），久（0為海平 而時天大氣總電導(dǎo)率。E T (%)地方時圖34大陸復(fù)雜型地而晴天大氣電場變化的并地觀測平均（H（1）海洋極地型電場成因：海洋地區(qū)氣溶膠L1變化很小.海上整層晴天氣柱電阻（海 平而至電離層）和晴天人氣總電導(dǎo)率口變化也小，這時有竺竺0, 如 =0,所以有 dtdti dEy） i （3.9） E（r） dt Vt） dt上式表明海洋和極地表面人V電場的口變化，主要取決于整層晴天人氣電位差的口變化，而 整層大/（電位差取決于全球雷暴活動口變化。全球雷暴活動口變化與世界時相關(guān)。（2）大陸型電場的成因：在人陸上

15、，由于人氣中氣溶膠含最口變化較人，從而使幣層人氣總電導(dǎo)率和整層晴天氣柱迫阻的口變化也人，因此人陸上地面人氣電場的口變化是全球 性普遍日變化與地方性日變化的綜合結(jié)果。3. 3.3晴天大氣電場的年變化地面晴天電場還具仃年變化，它也可以作其變化的波形和變化幅度來表示，主要足指年£ 場相對值畚變化的峰和谷出現(xiàn)多少，出現(xiàn)的月份。英變化幅度多用年較差表示，年較差是指晴天人氣電在一年中的瑕人與最小值z差，用百分比表示。睛夭人氣電場其有明顯的年變化其變化規(guī)律因地而異。齊地地面晴天人氣電場年較差的平均結(jié)果的數(shù)值可以從30%變 化到130%,平均為65%。地面和海面晴天大氣電場年變化的波形一般貝有單峰、

16、單谷，即 一年中出現(xiàn)一次極人和一次極小值的簡單變化波形。平均而言，晴天電場峰值都在北半球的 冬季，而谷值都在北半球的夏季。3. 3.4晴天大氣電場的脈動變化晴天大氣電場貝有脈動變化，其周期人約從幾分鐘到幾十分鐘其變化與地理環(huán)境有 關(guān)，還與人氣湍流等氣彖要素何關(guān)。如我國貴州湄潭觀測到在日出霧消后的89時左右，地 面丿"(電場出現(xiàn)周期為兒分鐘的強烈脈動起伏變化，脈動振幅可達50%左右，這町能是口 出后地面因太陽加熱而在近地而形成較強的湍流，破壞了近地面人氣的電狀況。地面人氣電場的脈動變化具有明顯的口變化，其峰值出現(xiàn)于中午至下午，谷值出現(xiàn)于 黎明前。這與中午到下午近地面大氣對流較旺盛，早晨

17、大氣較穩(wěn)定有關(guān)。地面人氣電場脈動變化還有明顯的年變化.其峰值出現(xiàn)于夏季.谷值出現(xiàn)F冬季。§ 3.4大氣電場與氣象條件晴天大氣電場與氣象條件間有密切關(guān)系，氣彖條件與晴天人氣電場的關(guān)系往往通過人氣 電學(xué)參量產(chǎn)生影響。由于晴天人氣電場與睛天人氣電導(dǎo)率之間呈負相關(guān)，對晴天大氣電導(dǎo)率 影響的氣彖條件，則間接影響晴天大氣電場。3.4.1氣溶膠對大氣電場的影響如人氣中的氣溶膠含鼠減小，則人氣中的輕離子濃度增人，就導(dǎo)致人氣電導(dǎo)率增加，從 而使人氣電場減小。反之，若氣溶膠含屋增加，則人壯輕離子濃度減小，導(dǎo)致人氣電導(dǎo)率減陳渭民編甘(a)(b)圖3.5睛天大氣電場與氣洛膠與正重離子和大氣溫度的關(guān)系陳渭民編

18、甘小，最后人氣電場增加。圖3.5為美國新罕布什爾州南部混合大氣層中人氣電場、人氣E 離子濃度和氣溫隨高度分布的觀測實例，町看到，人'（中止重離子濃度與人氣電場隨高度的 分布是一致的，z（溶膠濃度人，電場也人，而氣溶膠濃度與大氣逆溫分布是一致的。夏季地面氣溶膠濃度的口變化具冇雙峰和雙谷的特征，則導(dǎo)致人/（電場也冇雙峰和雙谷 的變化特征。通常地面氣溶膠在午夜到黎明前，地面氣溶膠濃度出現(xiàn)第一個極小值，口出后 由于熱對流和湍流垂直輸送作用加強，使近地面人氣中氣溶膠濃度増人，地面氣溶膠濃度出 現(xiàn)第一個極人值。中午到下午I大1熱對流利湍流垂直輸送較為旺盛，這使近地面氣溶膠向上人 量輸送，于是地面&

19、#39;（溶膠減小，出現(xiàn)第二個極小值：到傍晚，大氣趨T穩(wěn)定，近地面的氣溶 膠不易向上輸送，氣溶膠濃度又増加，出現(xiàn)第二個極大值。圖3.6是蘇聯(lián)列寧格勒附近晴天大氣電場和氣溶膠高度分布的27次平均結(jié)果，圖中氣 溶膠濃度隨高度遞增，至600m高度附近達極人值，然后隨高度呈單調(diào)遞減，而人氣電場有 相似的變化趨勢，在900m高度附近達極人值，這說明不同高度的睛夭人氣電場與氣溶膠濃 度間呈正相關(guān)。E（Z）（V/m）N（Z）（d0cm'）圖3.6晴天大氣電場和氣溶膠隨高度的分布關(guān)系3. 4.2大氣中水汽和溫度對大氣電場的作用晴天人氣電場還與水汽和溫度等氣象要素相關(guān)，觀測表明地面晴天人氣電場的口變化與

20、 水汽的日變化十分一致。在淸晨氣溫較低，水汽壓出現(xiàn)谷值，中午及其后，氣溫較高，水汽 壓出現(xiàn)峰值：傍晚氣溫下降，水汽壓也下降。地面的氣溫與興氣湍流垂直輸送有關(guān)，午后溫 度增人，湍流垂直輸送加人，使地面水汽輸送到較高的氣層，使得人氣電場也發(fā)生變化。31己知在地球表而以上電場強度方向描向地而，試分析在地面以上電勢隨高度増加還肚減?。?2、一球形雨滴半徑為040mm.帶有電最為I 6pC,它表而的電勢多大，如果這樣的兩個雨滴碰并成一較 大的球形南滴、這個僧滴表面的電勢又有多大少3 3、如果睛夭大氣電場為L20V/m試問地球表面荷多少電荷？34、設(shè)在地而上方100米處電場強度為L50N （牛噸）/C （庫侖人300米處場強為LOONC,試求這兩奇度 之間的平均體電荷密度？3. 5、假定在開始200米內(nèi)空間的電荷密度（單位立方厘米的基本電荷數(shù)）p表示為p = 2QAeQ（M