雷电原理 第四章 晴天大气电导率

陈渭民编著
一定体积大气携带正电荷或净负电荷， 称为大气体电荷。 通常用大气体电荷密度描述大 3 C . cm 气电荷状况，单位取 。如果体积为 的大气中携带总的正电荷为 Q 、总的负电荷为
Q ，则大气体电荷密度定义为

Q Q

= q q
(4.12)
其中 q e(n N ) 和 q e(n N ) 。n为晴天正、负轻离子的浓度, N是为晴天正、负 重离子的浓度。晴天大气电场是晴天大气体电荷分布的结果，反过来，晴天大气电场也会影 响晴天大气体电荷分布的结果。 如由于大地的电极效应， 晴天大气正离子在晴天大气电场作 用下，大量聚集在贴近地面的气层中，形成较高的大气体电荷密度。 由静电学理论得大气电场与体电荷密度的关系为
+= ek+ n+
(4.4)
陈渭民编著
-=e k- n -
(4.5)
可以看出，大气电导率与大气轻离子浓度间呈正相关。 由于大气气溶胶浓度增大，晴天大气重离子浓度也增加，而大气轻离子浓度减小，导致 大气电导率减小。反之，大气气溶胶浓度减小，大气轻离子浓度加大，则晴天大气电导率增 加。所以大气电导率较大时，大气轻离子浓度也增大。 大气电导率与大气电离率有关，并随纬度增加而增加，这种变化一般在 7km 以上高度 开始。 由于大气电离率与太阳活动有关， 所以大气电导率与太阳活动有关。 在 10km 高度之上， 由于太阳黑子引起宇宙射线强度减弱，导致大气电离率减小，从而导致电导率减小。 在几千米高度以上的大气中， 大气的电导率主要取决于宇宙射线， 而宇宙射线强度随地 磁纬度增加而递增，因此晴天大气轻离子浓度随地磁纬度增加而增加。 大气电状态变化与大气电导率有关。 大气的电状态出现变化时， 经过一段时间使大气电 状态达到新的稳定，这一过程所需时间可以用弛豫时间 表示，定义为大气电学量衰减到 1/e 时所需要的时间。据此，如果大气电过程的时间尺度远大于弛豫时间，则可近似认为大 气电状态趋于稳定。而大气电过程的弛豫时间 可表示为
3
2
1
0 0
4 100
8 200
12 16 20 16 1 1 (z) (10 cm )
N1(z) (cm )
300
3
400
图 4.2 晴天大气总电导率(z)和晴天大气正重离 子浓度 N1(z)随高度的分布
陈渭民编著
才具有随高度递增的普遍分布规律。综上所述，大气电导率随高度单调递减，因此，通常可 以用指数表示为 (4.7) 式中 a、b 为经验系数，由于晴天大气电导率随高度分布因时因地而有差异，经验系数 a、 b 也不同。 根据美国气球探测结果，从地面至 26 公里高度范围内，晴天大气正负极性电导率随高 度分布可以分别表示为
(4.15) (4.16)
2 ( z ) z 2 若已知大气电场或大气电位随高度分布，则由上式求取大气体电荷密度分布。
Fra Baidu bibliotek( z) 0
4.2.2 晴天大气体电荷密度的时空分布 晴天大气体电荷密度不仅随地点和高度变化，而且还有日变化和年变化。观测表明，全 球表面晴天大气体电荷密度的平均值约为 10 17 C.cm 3 ，各地地面或海面晴天大气体电荷密 度的常见值介于 2 10 17 C.cm 3 与 2 10 17 C.cm 3 之间。其绝对值的变化范围可达 1 个数量 级。 晴天大气体电荷密度具有随高度单调递减的特征， 由大气电场随高度分布的经验公式可 以导得大气体电荷密度随高度的分布公式为 ( z ) 3.26 10 18 exp(4.25 z ) 1.28 10 19 exp(0.37 z )
高度(km)
4 5
N1(z)
(z)
值随高度变化较小， 直至高度约为 1.7km 的混合层顶附近，其值才随高度锐减， 在混合层顶高度以上大气中，其值复又 随高度变化不大。晴天大气正重离子浓 度随高度分布，反映了气溶胶含量随高 度的分布，因此晴天大气总电导率随高 度分布的情况，与晴天大气正重离子浓 度随高度分布的情况相反。 就在该图中， 混合层大气中晴天大气总电导率数值较 小，其值随高度变化不大；至温合层层 顶附近，其值随高度急剧增大；而在混 合层顶以上的大气中，晴天大气电导率
4.1.2.2 晴天大气电导率随高度的变化 晴天大气电导率随高度的分布与晴 天大气轻离子浓度和轻离子迁移率随高 度的变化有关，总的说来，晴天大气电导 利亚墨尔本上空晴天大气正、负极性电导 率随高度分布的观测实例，图中曲线表 明：晴天大气正、负极性电导率随高度的 变化起伏较大，但其平均值仍随高度单调 递增。此外，晴天大气负极性电导率与正
10
15
20
图 4.1 晴天大气正负极性电导率1(z)和2(z)随 高度 z 的分布
出不同高度处晴天大气电导率。
不同高度处晴天大气电导率(单位: 1011 cm1 ) 5 17 16 5.4 24 10 53 51 16 100 15 130 130 29 260 20 270 280 130 580 25 520 540 280 1100 30 1000 1000 420 1900 35 1800 1800 800 2900 40 3000 3000 2000 5400 高度(km) 0 2.5 2.5 0.4 7.5 3 8.6 8.6 2.4 13
4.1.2.4 晴天大气电导率还有年变化
晴天大气电导率年变化规律较为复杂， 与局地条件和气象条件密切相关。 一般具有单峰、 单谷等多种变化，峰值位于每年的春季，谷值位于每年冬季。对于双峰双谷的峰值位于每年 的春季和秋季，谷值位于每年的夏季和冬季。 4.1.2.5 晴天大气电导率的长期变化
由于大气电导率受大气污染影响，随工业的发展，导致大气电导率下降。世界各地的大 气污染状况不同，各地的电导率也不同，大气污染小的地区，电导率的变化小。
= / 式中是大气介电常数， 是大气电导率。
4.1.2 晴天大气电导率的时空分布
4.1.2.1 地面晴天大气电导率
晴天大气电导率的时空分布取决于晴天大气轻离子浓度的时空分布， 所以晴天大气电导 率不仅随地点而异，并具有日变化和年变化。 据观测，全球大气总电导率的平均值为 2.3 10 16 1 cm 1 ,其变化范围从 2 10 17 ～ 6 10 16 1 cm 1 。由 (4.4)、(4.5)式得晴天大气负极性电导率与晴天大气正极性电导率之 比为
k n k n
上式表明
(4.6)
n ，不仅取决于晴天大气负轻离子浓度与大气正轻离子浓度之比 ，还取决于 n
k n k 。通常由于 <1，而 >1, k n k
晴天大气负轻离子迁移率与晴天大气正轻离子迁移率之比 因此
的变化规季律较为复杂。表 4.1 列出了大气污染程度不同的各地区的晴天大气大气
0 E
式中 0 是大气介电常数。也可得大气电势与体电荷密度的关系为
(4.13 )
0 2
式得高度为 z 处的体电荷密度与电场和电势的关系为 E ( z ) ( z ) 0 z
(4.14)
通常忽略大气电场的水平分量，并令大气电场的方向向下为正、向上为负，则由 (4.14)
表 4.1 不同污染地区晴天大气的电导率 地区类别 (1011 cm1) 工业区周围 0.5~1 城市郊区 1~1. 5 远离大气污染源的陆地 2~3 近海和小岛 2 远洋 3
电导率，可见到, 对于工业区，大气污染较重，电导率小；对于污染很小的山区，电导率较 高。
陈渭民编著 山区 3~4
= ++ 或者写为
(4.1)
= e (n+ k+ + n - k- +N+ K+ + N- K- )
(4.2)
式中 N+、N- 为正、负重离子的浓度，K+、K-为大气正、负重离子的迁移率。 若大气正、负离子的电荷量为 e ，大气正、负轻离子的迁移率为 k+、k-，大气正、负离 子浓度以迁移率的谱分布为 B+( k+） 、B-(k-） ，大气正、负重离子的迁移率为 K+、K -，大气正、 负重离子浓度以迁移率的谱分布为 B+( K+） 、B-(K -） ，则大气正负极性电导率分别表示为
14 26
2(z)
1(z)
高度(km)
率随高度单调递增。如图 4.1 给出了澳大
22
18
极性电导率之比 ，随高度增加时有时
大于 1，有时则小于 1。在 6~1.95km 高度 范围内，
10
6 0 5
的平均值为 0.96。表 4.2 给
表 4.2
(z) (1011 cm1)
1(z)测量值 1(z)曲线值 min(z) max (z)
在高度 3km 以下的混合层大气中，由于存在热对流和湍流垂直输送，使得大气电导率 随高度的分布在不同天气条件下差异较 大。例如图 4.2 为海洋上低层大气晴天 大气总电导率，以及晴天大气正重离子 浓度随高度分布，图中表明，混合层大 气中晴天大气正重离子浓度值较大，其
(4.8) (4.9)
(4.10) (4.11)
- ( z)
1.1 10 16
2 2.3 10 17 z
4.1.2.3 晴天大气电导率具有日变化 晴天大气电导率表现为单峰、单谷和双峰、双谷多种变化，其变化规律随地点和季节而 异， 它与晴天大气轻离子浓度和迁移率的日变化规律密切相关。 一般峰的位置于下半夜到黎 明前，谷值位于上午至下午。而晴天大气轻离子浓度和迁移率又取决于气象条件。其中大气 温压温对大气轻离子迁移率有影响，特别是气溶胶的影响更为明显。
+= e k+ B+( k+）dk++ e K+ B+( K+）dK+
0 0




-= e k- B-(k-）dk-+ e K - B-(K -）dK 0 0




(4.3)
在大气中由于轻离子的迁移率比大气重离子的迁移率约大 2 个数量级， 又大气轻离子浓度仅 比大气重离子浓度小一个数量级左右，因此大气的电导率主要取决于大气轻离子，据估计， 大气轻离子的电导率对总的电导率的贡献占轻、重离子对大气电导率的贡献的 95%，所以 大气正负极性的电导率可以近似地表示为
陈渭民编著
第四章
晴天大气电导率、大气体电荷 和大气电流
晴天大气电导率、 大气体电荷和大气电流是描述大气电特性的三个重要物理量， 它的时 空分布和变化影响大气中发生的诸如雷暴等各种物理过程，因此对它的了解有一定意义。
§4.1 晴天大气电导率
由于大气中存在大气正、负离子，从而使大气具有微弱的导电性能，大气的导电性能可 以用大气电导率表示，下面就这一问题作一介绍。 4.1.1 晴天大气电导率 4.1.1.1 晴天大气电导率定义 定义为大气离子在单位电场作用下产生运动而形成电流密度值。单位为 1cm1。因 此大气电导率取决于大气离子电荷、 大气离子浓度和大气离子迁移率。 大气电导率包括大气 正极性电导率和大气负极性电导率。 4.1.1.2 大气电导率的表示 大气正极性电导率取决于大气正离子， 大气负极性电导率取决于大气负离子， 如果大气 正极性电导率表示为 +，负极性电导率表示为 -，则总的电导率表示为
(z) = (0)exp (azbz2)
+ (z)=2.71016exp(0.254z0.00309z2) - (z)=4.331016exp(0.222z0.00255z2)
式中+(z)和- (z)的单位取 1 cm 1 ， z 的单位为 km。 根据飞机观测，在积雨云上方所探测到的大气电导率随高度分布的平均结果为 + ( z ) 1.7 10 16 2.110 17 z 2
§4.2
晴天大气体电荷
大气中不仅有正、负离子，而且有带正、负电荷的云雾降水粒子，在一定条件下，由于 大气电场力、重力和大气对流等因子的作用，使这些带正、负电荷的粒子分离开，从而使一 定体积的大气携带有净正电荷或净负电荷。此外，火山爆发、沙暴、高压电线电晕放电、工 业排烟等也能使大气携带净正、 负电荷。 为描述大气中电荷分布， 对此引入大气体电荷密度。 4.2.1 大气体电荷密度的定义