1、大气物理II1.大气电学2.大气光学3.大气声学大气电学、晴天大气电场n晴天大气电场强度：在陆地上，平均为120V/m；在海洋上，平均为130V/m。一般说来，污染严重的工业区其数值高（如英国的Kew城，平均值为363V/m）；而清洁的乡村，其值低（如我国的新疆伊宁平均值为36V/m）n晴空大气电场随高度是变化的。由许多经验公式，如：n 此外还有日本人的经验公式（）n晴天电场的日变化：n电场强度与小离子的浓度与迁移率有关，工业污染严重的地区大气气溶胶农度大，气溶胶捕获小离子，使其浓度减小，因而污染严重地区的电场强度大n晴天电场强度还与全球的雷暴活动有关，雷暴最活跃的时间，也是电场强度最强的时间
2、。雷暴云的电特性及其结构n 雷暴是低层大气中电磁能的主要源，并且被认为它驱动着全球电流系统n测量云和它周围的电场表明，大部分雷暴云很像一个巨大的偶极子。在它的一20高度以上的顶部区集聚着大约40库仑的正电荷量。在云的一20 和0 高度之间的中心部分，也具有相同量级的负电荷量。在0层高度以下，有时观测到量吸为10库仑的小的正电荷区(下图)。人们经常观到,在明显的电扰动之前，一块正在发展的云下，就有降水出现。在云下的测定表明，云的最初起电，通常与晴天电场极性相反。当这个电场约超过2千伏/米时，在突出直立目标物的上方，将产生强电场。这种直立目标的曲率半径很小，诸如树枝，丛林灌木，或人造物体如竿形天线
3、。强电场到了使尖端放电的程度，正电荷离子释放到空气里这样。这时，到达地面的小雨常携带着从尖端放电的，正离子电荷。大约10分钟之后，云中的场强可达到400千伏米，同时，云下面的地面场强增加到5干伏米的量级。这时，云中发生闪击和闪光。然而，许多云虽然发展到降水和强电场，但达不到闪电阶段。在放电的同时，地表面电场逐渐恢复到晴天电场极性，因为闪电已使上方的负电荷突然消去.3 雷电云内电荷分离机制n虽然有一些关于电荷分离的理论，但尚无一个理论被首遍接受(例如Mason,1970;Magono，1980)。这些理论大多以两个基本概念之一为基础：，二者都把。n(1)感应起电:n在感应过程中，外部电场引起雨滴
4、或冰粒的电极化,极化强度取决于所涉及粒子的介电常数。与这些较大颗粒相碰撞的小冰晶或小水滴可以获得正电荷随上升气流而向上运动。带负电荷的雨滴或冰粒由于具有较大的重量而下降，并加强原来的电场(即晴空电场)。n大、小粒子之间电荷交换的数量随电场的增强而增加，该效应由正反馈维持，正反馈使原电场增强，直至增强到Qmax的电荷极限值，并伴有闪电，或者重力被电力所抵消，才使大颗粒子停止下降。n但是，实验室的实验表明，感应过程只有当10千伏米量级或更高些的相对强电场已经存在时才显著。自然状况下，是很难有这样强的电场强度。因此，下面介绍的非感应过程是重要的。n（2）非感应起电：非感应起电包括：a)冻结与融化起电
5、、b)冰-冰碰撞起电、c)结淞起电、d)对流起电等a)冻结与融化起电：Workman 与 Reynolds首先注意到:水或稀溶液冻结时在冰-水界面两侧产生电位差.例如:当蒸馏水冻结时,在冰的一侧出现约-60V的电位,一般说来,相对于液相来说,冰相的电位为负电位.但铵盐溶液是例外,其冻结时,冰的电位为正.Workman 与Reynolds根据这一理论来解释雷暴起电现象.他们认为:当过冷云滴碰撞到霰粒子时,只有部分云滴在霰粒子的表面冻结.另一部分仍然保持液态水状态,并随着上升气流离开霰粒子.这部分水滴带着正电荷,随着上升气流到达云的上部.这一理论仍受到许多质疑.b)冰-冰碰撞起电：如果两片初始温度
6、不同的冰晶被带到一起，而后又被分开，则温度较高的冰晶获得负电荷而温度较低的冰晶获得等量的正电荷。这是因为较活跃的带有正电荷的氢离子向温度低的方向扩散，而较稳定的OH-l离子过多地保留在温度高的区域。由于冰晶和霰粒常在云起电的情况下出现，又因过冷水滴在冻结过程中潜热的作用,使得冰晶与霰粒子产生温差,从而有利于进行温差充电.(如下图)C)结淞起电实验如图:n过冷却云滴与模拟雹相碰而发生冻结时，过冷云滴一部分在雹表面冻结,另一部分破碎离开雹表面.在撞击时雹与云滴有温度差,与前面的冰-冰碰撞一样,破碎的云滴带正电荷。模拟雹带负电.n实验的测量表明:当气温为-15时,104个半径为40m的云滴以10m/
7、s的流速与模拟雹碰撞后,10秒内产生410-2静电单位电荷;产生电荷的状况还与云滴大小、云滴速度有关。当云滴半径小于15m基本不能产生破碎云滴，因而难以产生电荷；当云滴半径大于40m时，云滴在碰撞瞬间，还未冻结可能已经破碎，故亦不能有效产生电荷；环境温度在-6-17对产生电荷最为有效，温度过高，冻结过程缓慢，冻滴难以破碎；温度过低，冻滴破碎迅速，破碎云滴未能与模拟雹有足够的时间接触。d)对流起电:发生电荷分离和积累的雷雨云中有强的对流运动，对流驱动机制即是认为对流运动是云中电荷分离的原动力。云的电荷来自地面尖端放电和高层的传导电流。开始上升气流把低层大气的一种符号的空间电荷(正电荷)，由云底带
8、入不断增长的云体中。正电荷的云粒子，将吸引高层大气的另一种符号离子(负离子)流向云体,在云边缘形成电荷屏蔽层，并由下沉气流带到下层，并在下层积累，引起地面尖端向云中释放前一种符号电荷(正电荷),并为升气流带入云内，进一步增加云中荷电量，又进一步促进异号电荷在低层积累。这样的正反馈作用犹如一部静电起电机,以云中有组织的上升和下沉运动的对流能量建立起云中分离的电结构、这样的起电机制不直接与降水相联，故可解释无降水的云中起电现象(过程如下图)4 闪电物理（1）闪电的光与电的过程 在云地之间，云和周围空气之间，或者在云的内部都能发生闪电。在其它情况下，如当强烈的空间电荷发展(雪暴、沙暴及火山爆发)时，
9、也可以发生闪电。但我们只限于讨论最常出现的对流云中的闪电，特别是云地间的放电。下图为闪电的例子。由于随着放电空气的突然增热和膨胀，就有声波产生，这就是我们听到的雷。因此，电云或电风暴也称作雷雨云。虽然闪电用肉眼看来是单一的放电(如下图b)，实际上，它是呈梯级，以一种比较复杂的方式发生的。(如下图a)因此在瞬间纪录闪电的速度、持续时间是十分困难的。用Boys照相机拍摄的照片可以做此纪录。Boys照相机是一种装有转动镜头装置的照相机，这种镜头能在胶片上产生一种快速的移位图像，因此可以获得一张发光图像或几张随时间变化的图像，以展现出组成单一闪电的断续闪击、也可使用装有转动底片的固定镜头，用这种照相机
10、拍摄的照片的例子如下图所示，tap=（p+q）/2v 闪电过程的原理一般是了解的。但是，许多细节仍然还不清楚或者还有争论，由于在云的某些区域，电场达到特大的数值，使水滴拉长，在其顶端开始的击穿，可能诱发梯级先导。放电一经开始，就以称为的过程传播；这种放电的出现是因为电离作用产生正离子和电子。这两类粒子在电场作用下开始移动。这种作用就是施加于每个粒子一个电场力:Ee(E是电场，e是离子或电子电荷)。然而，电子的移动性比离子大得多。因而可认为后者基本上不栘动。带电粒子沿电场移动时它获得的动能等于它的电荷乘以电位的变化。这样，在先导中。当电子向下移动时就会加速，并且由于与其它许多分子或原子的碰撞，而
11、其它的分子电离。随着每一个新电子的产生，这一过程就重复出现，结果电子数呈指数增加这是一种雪崩留下来的不断增多的正离子数，产生正电荷电场，与原先存在的电场对抗，防止雪崩无止境增加。闪电所包含的能量非常巨大。一次完整的闪光可以释放电荷30库仑。地面和云的负空间中心之间的电位差可达108伏特左右。因此，一次闪光所释放的静电能约为：30库仑X108伏特=3 X109焦耳相当于把3000吨重的物体抬高别离地100米处所需的功，或者相当于一只发光灯泡约一年时间所耗费的能量；（2）闪电的物理机制 当大气电场非常强时可以使大气离子加速并获得能量。这些离子与大气中性分子碰撞，使大气进一步电离，形成了电离通道。同
12、时，伴随发光与声音。大气中这种放电现象可分为两大类：尖端放电和闪电。当雷雨移近时，地面电场增强，在地面尖端物体附近，电力线密集，电势梯度变大最后使尖端附近空气强烈电离，形成电晕放电。并在尖端周围发出浅蓝色光晕，这就是尖端放电古代又称之为爱尔摩火(Elmos Fire)，闪电是指另一种常见的更加强烈的大气放电现象。伴随着巨上的闪光与雷声。常见的闪电还可分为地闪(云-地之间的放电)。云闪(云际之间或云与大气之间放电)以及球状闪电。地面尖状建筑、树木、草地等在强电场中都可以形成放尖端放电。只要地面电场强度超过l一2千伏/米，其放电电流与尖端体形状、尖端体与周围大气的电位差、以及风速等气象要素有关，L
13、arge与pierce(1957)曾求出其经验公式是：式中：I是放电电流，V是尖端体同大气的电位差，w是风速V0与c是尖端体本身有关的常数。当尖端体电势相对 周围大气为正(负)时，负离子(正离子)流入尖端体，形成流出(入)尖端体的电流，而称为正(负)尖端放电。观测表明，正尖端放电的概率大于负尖端放电，其比值约13。雷暴下的地面电场强度的平均值104伏/米左右，测得的平均尖端放电电流为(1一3)10-8 安/米2。总效应是使地表得到负电荷。地闪通常是在雷雨云下云和地面之间的强烈放电过程。还伴随着轰鸣的雷声。地闪常常从云内开始，先在雷雨云正、负电荷中心之间击穿(如下图(a)(d)，形成放电。而后像
14、一般曲折的暗蓝色光柱，阶梯式地由云中逐级伸向地面，每级放电光柱长约30一90米，光柱直径约5米。它以15x104米/秒的平均速度向地面传播伸展，两个梯级间的相隔时间为30100微秒。梯级先导为回击建立了电离通道。当先导距地面550米时，地面尖端物体将产生沿先导电离通道向上行进的强烈发光的放电过程，称为回击。又称主放电。我们日常所见的闪电光柱即为回击，回击的通道直径只有几厘米，伸展速度比先导快很多，为5 107米/秒。持续时间平均为40微秒，通过电流一般为104安培，偶尔可达105安培。在梯级先导和第一次回击通过以后，原来的电离通道并不立即消失。经过百分之几秒的间歇，沿着原来电离通道形成第二次由
15、云到地的先导。由于它没有梯级，而是由云直窜而下，称之为。其伸展速度比梯级先导约高出10倍。当直窜先导接近地面时，又由地面物体开始形成第二次回击(如下图)。我们将组成整个闪电过程的每一次放电称为闪击。一个闪电过程通常包括几次闪击，最多可达3040次闪击。而每个闪击一般包含先导与回击两个过程，先导为闪电主放电，准备了电离通道。分为梯级先导和直窜先导两类(如下图)。需要指出的是：回击电流是随时间变化的瞬态过程，它可以用下列经验公式来近似表示：这里：It 为通道电流t是时间，与是波形参数，平均状况为：I0=3104安培，=4.4104/秒与 =4.6105/秒。云闪发生在云内，云与云以及云与大气之间的放电过程。根据卫星观测统计，全球每秒钟发生的闪电约为300次，其中大多数是云闪。云闪次数(Nc)与地闪次数(Ng)的比值与纬度有关，它满足下列经验公式:式中:为纬度，而 600，比值是随纬度增高而减小的(如下图)。
