雷電原理第三章晴天大氣電場(chǎng)

1、陳渭民編甘陳渭民編甘第三章晴天大氣電場(chǎng)§3.1大氣電場(chǎng)的基本概念3. 1.1晴天大氣電場(chǎng)的方向觀測(cè)表明，晴天大氣中始終存在方向垂直向下的大氣電場(chǎng)，這意味著大氣相對(duì)于大地帶 有止電荷,而大地帶的是負(fù)電荷人氣和人地帶異性電荷是人氣電場(chǎng)形成的原因同時(shí)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(chǎng)不斷減弱。當(dāng) 有云時(shí)，云中大氣電過(guò)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(guò)程，其原因是人氣中存在有雷暴電過(guò)程，當(dāng)有雷 暴時(shí)，云地閃電及云下方地物和植物的尖端放電過(guò)程，將增加大氣和大地所帶的異性

2、電荷。 當(dāng)人'(中的帶電過(guò)程和電荷中和過(guò)程達(dá)到平衡時(shí)，形成恒定的晴天大氣電場(chǎng)。3. 1.2晴天大氣電場(chǎng)的表示大氣電場(chǎng)強(qiáng)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(diǎn)(x,y,z)處的電場(chǎng)與該點(diǎn)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(biāo)x,y,z中，大氣電場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(diǎn)連面的面，由于人地看成是導(dǎo)體，是一個(gè)等勢(shì)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(diǎn)大氣等電位面的法向矢量，且由低電位指向高電位，則該點(diǎn)的電場(chǎng) 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(chǎng)較強(qiáng)。同時(shí)也可以看到，大氣電場(chǎng)和等勢(shì)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(duì)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(biāo)z軸因此晴天大氣電場(chǎng)只存在垂直分量而其水平分量都為0°這時(shí)有E=EZ“牛(3.5)(2)地表呈起伏或不平坦時(shí)，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(chǎng)不僅只有垂直電場(chǎng), 而且有水平分量E«、EYo但是，當(dāng)觀測(cè)點(diǎn)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(shí)，地形對(duì)犬'(等勢(shì)面的影響就可忽略。3. 1.4大氣電場(chǎng)的符號(hào)在靜電學(xué)中，電場(chǎng)方向從止

5、電荷指向負(fù)電荷，即為正電場(chǎng)；否則為負(fù)電場(chǎng)，因此人氣電 場(chǎng)垂直向下為正，與坐標(biāo)軸z方向正好相反。而垂直向上為負(fù)的大氣電場(chǎng)。§3.2大氣電場(chǎng)的空間分布在實(shí)際人氣中，由于氣象、地理?xiàng)l件等多種原因.人氣電場(chǎng)隨空間和時(shí)間而變。下面對(duì) 這一問(wèn)題進(jìn)行討論。3. 2.1晴天大氣電場(chǎng)的地理分布晴天大氣電場(chǎng)因時(shí)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(chǎng)間的差異很小。就全球而言，海面晴天電 場(chǎng)約為130V/m。(2 )陸地：局地條件相差很大，各處電場(chǎng)的差異也很大。如我國(guó)伊寧的平均電場(chǎng)為 56V/m,美國(guó)斯坦福為76V/m,俄羅斯巴甫洛夫斯克為171 V/m

6、。對(duì)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(chǎng)為130V/m以上；而在鄉(xiāng)村地區(qū)，離氣溶膠源地較遠(yuǎn)，一般 小于 130V/nio表3.1為地面和海洋晴天大氣電場(chǎng)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(chǎng)的平均值、典型值和變化范圍平均值常見(jiàn)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(chǎng)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(chǎng)隨緯度的變化較為明顯。在緯度 0-20°處，晴天大氣電場(chǎng)約為1

7、20 Vm'1,緯度20-40°N范圍內(nèi),晴天大氣電場(chǎng)約為125 Vm",緯度增大到40-60°N處，大氣電場(chǎng)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(chǎng)減小。3. 2.2隨高度變化 3.2.2.1近地層大氣電場(chǎng)的高度分布圖31睛天大氣電場(chǎng)隨高度的變化(1酪林蘭索 徳*1'.2 «西哥占爾特：3美國(guó)加利福尼亞海岸)晴天人Y電場(chǎng)隨高度也因地因時(shí)而異， 陸地上分布較為復(fù)雜。通常晴天大氣電場(chǎng)隨 高度呈指數(shù)衰減的分布特征。但是即使同一 時(shí)刻，晴天人氣電場(chǎng)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(chǎng)將受人地電極影響，由于人地帶負(fù)電荷， 在近地面的一薄層人'(中枳聚了人量符號(hào) 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(qiáng)的人氣電場(chǎng)和電場(chǎng)梯度。計(jì)算農(nóng) 明，當(dāng)未受人地電極影響，晴天人氣電場(chǎng)為 50 V/m和250V/m,為受人地電極影響，晴 天人氣電場(chǎng)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(chǎng)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(guó)加利福尼亞海岸所觀測(cè)到的 晴天人氣電場(chǎng)隨

9、高度的分布，其中格林蘭索德里近地面睛尺人氣電場(chǎng)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(chǎng)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(guó)加利福尼亞海斥的晴天人氣電場(chǎng)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(chǎng)的高度變化在自由人氣中，人氣電場(chǎng)的變化可以采用指數(shù)形式表示，對(duì)于(CMOS丿寫為 E(Z) = E(0 ) exp (-a z+bf)對(duì)于(10-30km),寫為EE(Z o) exp (-c z )式中電場(chǎng)單位取V/m,是海平面處大氣電場(chǎng)，E(如是高度“處人氣電場(chǎng)。在中歐地區(qū)，由氣球探測(cè)

10、獲得晴天人氣電場(chǎng)隨高度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為(3.6)3.2.2.3晴天大氣電場(chǎng)的類型晴天大氣電場(chǎng)可分成四類（見(jiàn)圖3.2）：（1 ）晴天大氣電場(chǎng)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(chǎng)隨高度分布的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為E = EoeF（3.7）式中是地面晴天大氣電場(chǎng)，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(chǎng)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(fù)。大氣電場(chǎng)改變符號(hào)的高度為3-4km左右。（3 ）晴天人氣電場(chǎng)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(chǎng)達(dá)最人值，然后隨高度單調(diào)遞減。（4 ）晴天大氣電場(chǎng)隨高度變化較小，其值

11、為正。H 3.2 ??；、人氣電場(chǎng)隨高度分布圖3.2 b第二類晴天大氣電場(chǎng)隨島度分布陳渭民編甘陳渭民編甘§33大氣電場(chǎng)的時(shí)間變化特征3. 3.1晴天大氣電場(chǎng)的日變化睛天人氣電場(chǎng)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(dòng)起伏變化。太 陽(yáng)活動(dòng)對(duì)人氣電場(chǎng)也有影響。睛夭人氣電場(chǎng)的口變化表現(xiàn)為峰和谷的出現(xiàn)時(shí)間，它的變化I月 地、因季節(jié)而變化。觀測(cè)衷明，人氣電場(chǎng)的口變化受兩種因素制約：一是全球性普遍口變化 機(jī)制，即與世界時(shí)有關(guān)，主要取決全球雷暴的口變化：二是地方性口變化機(jī)制，其變化與地 方時(shí)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(shí)間，&心八 乞分別是全球性普遍口變化機(jī)制和地方性口變化機(jī)制引起的晴圖32 d第四類晴天電場(chǎng)隨高度分布圖32 晴天大氣電場(chǎng)的類型天大氣電場(chǎng)日變化。陸地上主要受地方時(shí)影響，海洋上受世界時(shí)影響。晴天大氣電場(chǎng)表現(xiàn)為三種類型：（1 ）大陸簡(jiǎn)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(shí)13-19時(shí)），谷值出現(xiàn)于早晨（地方時(shí)2-6時(shí)）。一般遠(yuǎn)離人城市的 鄉(xiāng)村為這一類型。地方時(shí)地方時(shí)圖3 3大陸簡(jiǎn)單型地而晴天大氣電場(chǎng)的口變化的各地觀測(cè)的平均結(jié)果(2 )大陸復(fù)雜型(圖3.4 )：這類人氣電場(chǎng)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(shí)，第一峰值于地方時(shí)上午710時(shí)，第二峰值出現(xiàn)于地 方時(shí)1821時(shí)，第一谷值出現(xiàn)于地方時(shí)26時(shí)，第二谷值出現(xiàn)于地方時(shí)13-16時(shí)。人城市和 工業(yè)區(qū)等氣溶膠濃度大的地區(qū)電場(chǎng)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(shí)有關(guān)，峰值出現(xiàn)于地方時(shí)18-21時(shí)，谷值出現(xiàn)于26時(shí)。一年內(nèi)變化很小，廣闊的極地海洋和冰雪覆蓋區(qū)電場(chǎng)變化就是這種類型。3. 3.2晴天人/(電場(chǎng)口變化的成因地面晴天人氣電場(chǎng)相對(duì)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(shí)天大氣總電導(dǎo)率。E T (%)地方時(shí)圖34大陸復(fù)雜型地而晴天大氣電場(chǎng)變化的并地觀測(cè)平均（H（1）海洋極地型電場(chǎng)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(shí)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(chǎng)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(dòng)口變化。全球雷暴活動(dòng)口變化與世界時(shí)相關(guān)。（2）大陸型電場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)的年變化地面晴天電場(chǎng)還具仃年變化，它也可以作其變化的波形和變化幅度來(lái)表示，主要足指年£ 場(chǎng)相對(duì)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(mì)差，用百分比表示。睛夭人氣電場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(jiǎn)單變化波形。平均而言，晴天電場(chǎng)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(chǎng)的脈動(dòng)變化晴天大氣電場(chǎng)貝有脈動(dòng)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(guó)貴州湄潭觀測(cè)到在日出霧消后的89時(shí)左右，地 面丿"(電場(chǎng)出現(xiàn)周期為兒分鐘的強(qiáng)烈脈動(dòng)起伏變化，脈動(dòng)振幅可達(dá)50%左右，這町能是口 出后地面因太陽(yáng)加熱而在近地而形成較強(qiáng)的湍流，破壞了近地面人氣的電狀況。地面人氣電場(chǎng)的脈動(dòng)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(duì)流較旺盛，早晨

17、大氣較穩(wěn)定有關(guān)。地面人氣電場(chǎng)脈動(dòng)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(chǎng)與氣象條件晴天大氣電場(chǎng)與氣象條件間有密切關(guān)系，氣彖條件與晴天人氣電場(chǎng)的關(guān)系往往通過(guò)人氣 電學(xué)參量產(chǎn)生影響。由于晴天人氣電場(chǎng)與睛天人氣電導(dǎo)率之間呈負(fù)相關(guān)，對(duì)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(chǎng)。3.4.1氣溶膠對(duì)大氣電場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)增加。圖3.5為美國(guó)新罕布什爾州南部混合大氣層中人氣電場(chǎng)、人氣E 離子濃度和氣溫隨高度分布的觀測(cè)實(shí)例，町看到，人'（中止重離子濃度與人氣電場(chǎng)隨高度的 分布是一致的，z（溶膠濃度人，電場(chǎng)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(chǎng)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(gè)極小值，口出后 由于熱對(duì)流和湍流垂直輸送作用加強(qiáng)，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(gè)極人值。中午到下午I大1熱對(duì)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(gè)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(gè)極大值。圖3.6是蘇聯(lián)列寧格勒附近晴天大氣電場(chǎng)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(dá)極人值，然后隨高度呈單調(diào)遞減，而人氣電場(chǎng)有 相似的變化趨勢(shì)，在900m高度附近達(dá)極人值，這說(shuō)明不同高度的睛夭人氣電場(chǎng)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(chǎng)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(duì)大氣電場(chǎng)的作用晴天人氣電場(chǎng)還與水汽和溫度等氣象要素相關(guān)，觀測(cè)表明地面晴天人氣電場(chǎng)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(chǎng)也發(fā)生變化。31己知在地球表而以上電場(chǎng)強(qiáng)度方向描向地而，試分析在地面以上電勢(shì)隨高度増加還肚減??？32、一球形雨滴半徑為040mm.帶有電最為I 6pC,它表而的電勢(shì)多大，如果這樣的兩個(gè)雨滴碰并成一較 大的球形南滴、這個(gè)僧滴表面的電勢(shì)又有多大少3 3、如果睛夭大氣電場(chǎng)為L(zhǎng)20V/m試問(wèn)地球表面荷多少電荷？34、設(shè)在地而上方100米處電場(chǎng)強(qiáng)度為L(zhǎng)50N （牛噸）/C （庫(kù)侖人300米處場(chǎng)強(qiáng)為L(zhǎng)OONC,試求這兩奇度 之間的平均體電荷密度？3. 5、假定在開(kāi)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