大气电场与空间电场

大气电场
大气电场也称自然电场，是地球环境中存在的一种自然现象，并对地球环境中的植物生长发育以及病虫害发生与发展产生着一种“无形”控制，它是继光、温度、水分、空气、土壤、肥料之后于上世纪九十年代才发现的新要素。

大气电场的形成是由带负电荷的地球和带正电荷的电离层组成的类似于球形电容器产生的，因此，大气电场的方向指向地面，其强度随时间、地点、天气状况和离地面的高度而变。

按天气状况可分为晴天大气电场和讯变大气电场。

图2-18给出了全球大气电过程的球形电容器模型，其中E0为大气电场的电场强度。

图2-18全球大气电过程的球形电容器模型（图片设计：韩大鹏刘滨疆）
2.2.4.1 晴天大气电场
晴天大气电场为正电场，具有空间分布特征。

其电场强度可随纬度、气溶胶含量、地面高度、局地特点、时间变化而变化。

1）晴天大气电场局地特点与植物的多样性相关
大陆上地面晴天大气电场随地点的变化较为复杂，就全球平均而言，电场强度E0在陆地上为120伏/米，在海洋上为130伏/米。

我国广州的大气电场的平均值为87 v·m-1，日较差为11%，而伊宁则为56 v·m-1，日较差为129%，各地区大气电场的不同会导致植物生长变化的多样性。

2）晴天大气电场场强也因时因地而异
通常，晴天大气电场随高度增加近似呈指数规律递减的分布特征。

然而，即使在同一时刻，晴天大气电场在不同高度范围内随高度的分布规律也不尽相同，在贴近地面的大气层中，
晴天大气电场将受大地电极效应的影响。

由于大地带负电荷，因而在贴近地面的一薄层大气中积累了大量符号相反的正电荷，而且体电荷密度在该气层中很不均匀，具有随高度增加而急剧递减的变化特征，于是该气层中便形成了较强的大气电场。

晴天大气电场受大地电极效应影响而增大1倍的高度分别为1m和5m左右，高度为零处的晴天大气电场为未受大地电极效应影响的晴天大气电场的2.8倍。

根据静电学感应原理，贴近地面的晴天大气电场强度的增加，其植物体表层将感应出更多的荷负电的离子。

阴离子积累在植株叶缘或叶脉等尖端部位最易获得大气正电荷的中和而发生化学反应。

比如叶内的OH-负离子,它可对大气中阳离子或荷正电荷的粒子放电而发生4OH—-4e=O2↑+2H20的还原反应。

感应积累于叶面表层的OH-在日光电磁场的激发下很易在气孔等棱缘处放出电子，这个反应也许同植物的光合作用放氧有关。

在人为施加静电场的环境中，有些植物也能在黑暗中进行光合作用就是对这一推测的正确性的证明。

3）晴天大气电场时变性
晴天大气电场具有较明显的日变化和年变化，还存在周期约几分钟至十几分钟的脉动起伏变化。

晴天大气电场日变化的波形受两种机制的影响，一种是全球普遍变化的机制，主要与全球雷暴活动的日变化有关，另一种是地方性局地变化机制，主要与局地大气状况的日变化所导致大气电导率和大气体电荷密度等大气电学量的日变化有关。

根据世界各国的观测结果，可将地面晴天大气电场日变化归纳为二种基本类型。

第一类为地面晴天大气电场日变化具有单峰单谷的变化波形。

通常,这类地面晴天大气电场日变化的峰值出现在下午至傍晚，即地方时13时至19时左右。

谷值多出现在清晨，即地方时2时至6时左右，远离人口密集的大城市、工业区和气溶胶自然源地的小城镇和乡村地区，其地面晴天大气电场日变化有些属于这一类型。

这类地区的植物可在晴天大气电场向峰值变化时从土壤中获得阴离子HCO3-、OH-等，又可在晴天大气电场由峰值向谷值变化时吸收阳离子C a+2等。

因而，这类地区的植物在每日中有两次大规模吸收阴离子或阳离子的时间，这类地区的生物产量往往不会太高。

第二类为大陆复杂型。

这类地面晴天大气电场日变化具有双峰双谷的变化波形.通常,第一峰值多出现在上午地方时7时至10时左右，第二峰值多出现在晚间地方时18时至21时左右，第一谷值多出现在清晨地方时2时至6时左右，第二谷值多出现在下午地方时13时至16时左右，离人口密集的大城市、工业区和气溶胶自然源地较近的地区的地面晴天大气电场日变化多属于这一类型。

这类地区的植物在每日里分别有两次大规模地吸收阴离子和阳离子的时间，故其生物产量一般高于单峰单谷地区。

气象条件与晴天大气电场之间的关系，往往是通过其他大气电学量对晴天大气电场产生间接影响的结果。

由于大气电场与晴天大气电导率之间关系呈负相关，因此，对晴天大气电导率产生影响的气象条件都将间接影响晴天大气电场。

通常，在午夜至黎明之前，地面气溶胶浓度出现第一极小值,大气轻离子浓度增大,晴天大气电导率增大,致使晴天大气电场减小，大气电场出现第一极小值。

日出后由于热对流和湍流垂直输送作用的加强，使近地面大气中气溶胶浓度增大，大气轻离子浓度减小，致使晴天大气电导率减小，最后使晴天大气电场增大，大气电场出现第一大值。

中午至下午因热对流和湍流垂直输送较为旺盛，这就使近地面大气中的气溶胶大量向上输送，于是地面气溶胶浓度反而下降，大气轻离子浓度增大，又导致晴天大气电导率增大，从而使晴天大气电场减小，出现第二谷值,到了傍晚，大气趋于稳定，近地面大气中的气溶胶不宜向上输送，从而使地面气溶胶浓度复又增大，大气轻离子浓度减小，晴天大气电导率减小，这又导致了晴天大气电场出现第2峰值。

温度，水汽压影响着晴天大气电场的变化，晴天大气电场的变化量又决定着植物从土壤中吸收肥料的电极性和数量以及带电同化物的运移。

通常，太阳光、温度、水份对植物生长的影响也可归结为这类气象因子的变化在良好的生长环境中通过大气电场的变化以及大气电场变量△E对离子的驱动条件而植物生长产生作用。

大气电场的这种脉动变化对于植物的生长具有重要的意义，有趣的是植物开花的时间也多集中在两个峰值区。

科学家通过多峰多谷的实验，亦确定了多变的静电场可以加快植物的生长。

晴天大气电场波动的增量△E往往可以导致植物从土壤中吸收增量为△G的阴离子量和从植物生态学上部向下运转△G、的荷正电荷的物质,而其电场强度的减弱又往往会导致植物从土壤中吸收阳离子和从其生态学上部往下运输阴离子同化物。

两种极性的荷电养料的相反运动又往往会产生许多生化反应。

晴天大气电场的年变化规律因地而异。

地面和海面晴天大气电场年变化波形一般具有单峰单谷的变化波形，其波谷在南半球和北半球大陆多出现在7月左右.然而有些地区，特别是热带地区，其地面晴天大气电场念变化具有双峰双谷的变化波形。

比如，印度尼西亚瓜哇地区就是如此。

4月份以前和10月份以后，较高的大气电场及其变化率有利于植物在比较寒冷的天气中吸收养料，增加溶质以抵抗寒冷的侵害。

从电场可驱动离子运动这一特性来讲，既然冬季大气电场较强，那么植物尤其是树木也可在冬日集聚养料，提高溶质浓度抵御低温灾害。

大气电场年变化的这一特点，对植物来年春天的开花生长则具有重要的科学意义。

2.2.4.2讯变大气电场
扰动大气电场或称讯变电场同气象要素的变化有关。

当存在激烈的天气现象（如雷暴、雪暴、尘暴）时，大气电场的数值和方向均有明显的不规则变化，高云对电场的影响不大，低云则有明显的影响，雷雨云下面的大气电场，甚至可达-104伏/米。

这时,地面上的树木，青草，庄稼等植物体尖端，在地面大气电场超过103V/m 左右时尖端附近大气电场剧增,致使尖端放电。

若积雨云下部为荷电区,则尖端放电电流方向朝上, 若积雨云下部为正荷电区,则尖端放电电流方向朝下。

尖端放电电流取决于地面大气电场，同时还与植物体尖端的几何形状和高度有关。

在静风条件下，尖端放电电流强度为
I=ａ(E 2-b 2) （1）
式中a 和b 均为常系数。

若尖端放电电流强度为正时,a=8×10-14A ·m 2/V 2 ， b=780V/m 。

若尖端放电电流强度为负时，a=-10-13A ·m 2/V 2,b=860V/m 。

尖端放电电流强度与风速密切相关，风速愈大，尖端放电电流强度也随之增加，因此，一定风速的气流有利于植物从土壤中吸收离子肥料。

摇动植物、脉动风、声波震动导致植物吸收离子的变化就是对一问题的间接说明。

由于积雨云下部通常为负荷电区，有时也出现正荷电区，因而，尖端放电电流时正时负，但平均而言，负的尖端放电电流向大地输送的负电荷大于正的尖端放电电流向大地输送的正电荷，这同晴天大气电场作用的情况相反。

正的尖端放电电流可导致植物从土壤中吸收阴离子，而负的尖端放电电流则又可导致植物从土壤中吸收阳离子。

时正时负的这种放电电流便可使植物体吸收平衡的营养成分。

雷电是积云中不同符号荷电中心之间的剧烈放电过程或云中荷电中心与大地和地物之间的放电过程。

雷电过程中产生的强大闪电电流，将产生静电场变化和丰富的电磁辐射。

由于地闪或云闪所引起地面垂直大气电场随时间t 的变化E （t ）可表示为
E （t ）=E s (t)+E ⅰ(t)+E r (t) (2)
式中E s (t)为静电场分量，E i (t)为感应场分量，E r (t)为辐射场分量。

上式还可以写为 E(t)= (2) 式中C 为光速，R 为闪电距离、)(C R t M -
为闪电电距随时间的变化。

满足上式的闪电距离的变化范围，严格而言为30～100KM 左右，上式右边第一项表明，闪电引起的地面垂直大气电场随时问变化的静电场分量正比于闪电电距，反比于闪电距离的立方。

第二项表明，闪电dt C R t M d CR dt C R t dM CR I C R t M R )(1)()(12223-+-
-
所引起的地面垂直大气电场随时间变化的感应场分量正比于闪电电距对时间的一次微商，反比于闪电距离的平方。

第三项表明，闪电所引起的地面垂直大气电场随时间变化的辐场分量正比于闪电电距对时间的二次微商，反比于闪电距离的一次方。

上式的重要生物物理意义在于一次雷电，其电场作用半径可达100公里左右，方圆200公里以内的植物将受到电场变化量的作用。

除了通常认为的闪电合成氮素是导致雷雨期间植物生长加快的原因之外，也许更为重要的是雷电期间，大气电场的剧烈变化所导致大重矿质营养导入植株体内的结果。

由此看来，年雷暴时数的多少同植物群落的生长量有着密切关系，年雷暴时在80小时以上的地区为植物生长茂盛地区。

年雷暴时愈高的地区则植物生长愈繁盛，如海南岛的海口为471小时，长江两岸地区为150～200小时，该类地区的植被都很发达。

而年雷暴时愈低的地区则植被愈稀落，如敦煌为9小时，格尔木为4小时，柴达木盆地为25小时。

总的来说，我国平均雷暴时具有南方多于北方，山地多于平原，沿海地区和江湖流域以及潮湿的地区多于干早地区等，每一次闪电，大气电场的变化的响范围数万平方公里，山区的闪电可使临近的平原受益。

2.2.4.3大气电场的表达式
在直角坐标系里，大气电场可以表示为： V V V E i j k x y z
∂∂∂=---∂∂∂ (3) 式中i 、j 和k 分别为x 、y 、z 轴的坐标向量。

v 为大气电位，单位为伏。

E 为大气电场，单位为v/m 。

对于平坦地面，晴天大气等电位平行于地面，单位法向向量垂直向上，与坐标z 重合，因而
0=∂∂=∂∂y
v h v (4) 这个电场可使植物保持向上的生长态势。

这时的晴天大气电场可改写为标量形式
E=E Z =z
v ∂∂- (5) 对于地形起伏和高耸的地物和植物附近的地面，晴天大气等电位面因起伏和畸变而变成曲面，晴天大气电场的水平分量E x 和E y 可导致植物的叶茎向四围伸展。

2.2.4.4 大气电场的变化与植物生物电流的产生
植物生物电流是由同极性荷电离子在植物体内的定向移动形成的，同极性离子的定向
移动是由植株地上部分和土壤溶液间的不同电位所决定。

不同的电位既可由大气电场对植株感应所引起的放电所形成，又可以通过大气电场场强的增减量在植株体内引起的瞬间的不平衡电场所形成。

因而大气电学的各项参数的变化是导致植株体内荷电粒子运动的基本原因。

1）全球大气电过程的物理模型
为了建立大气电场变化同植物生物电流的数学关系，需建立全球大气电过程的物理模型见图2-18。

由于土壤电导率比低层晴天大气电导率大10至11个数量级，而电离层电导率则比低层晴天大气电导率大10个数量级左右，因此，相对大气而言，地球和电离层均为导体，地球表面和电离层下界面为等电位面，于是可把整个大气—地球体系视为由地球表面和电离层下界面两同心球面组成的球形电容器，期间充满了具有微弱导电性能的大气介质。

整层晴天大气电位差V 的存在，导致晴天大气电场E 的建立，由于晴天大气具有微弱的导电性能，因而在晴天大气电场的作用下，形成电流强度为I 的全球晴天大气电流。

全球晴天大气电流使球形电容器正、负极携带的电荷因不断泄放而减小。

全球晴天大气电流不断泄放球形电容器所携电荷的结果，将造成V 和E 的不断减弱。

为了维持球行电容器的电量，全球雷暴活动产生的闪电电流和尖端放电电流，将形成与全球晴天大气电流方向相反的电流I C 。

因此.全球雷暴活动为球形电容器的提供了充电电流，它使球形电容器携带的电荷维持恒定不变。

任何大气电状态的变化，都将经过弛豫时间过渡到新的大气电状态。

驰豫时问反比于大气总电导率。

大气总电导率愈大，驰豫时间愈短，反之亦然。

例如，地面晴天大气的驰豫时间约为400S ，由此可见，由于所研究的晴天大气电场日变化的时间尺度远远大于晴天大气驰豫时间，所以可把晴天大气电过程看成准静态。

因此，晴天大气电学量仍遵循静电学关系式。

整层晴天大气电位差V 和整层晴天气柱电阻R 之间的关系为
V= j · R (6)
式中j 为晴天大气传导电流密度，又由于晴天大气电流满足欧姆定律的微分形式：
j=λ·E (7)
故地面睛天大气电场的表达式： E= R
V ⨯λ （8） 由式(8)可以看出，晴天大气电场由局地晴天大气总电导率λ和整层晴天气柱电阻R 以及整层晴天电位差V 决定，上述任意一个参数的变化都将引起晴天大气电场E 的变化，生长在地面上的植物体及表层的电荷分布也将发生变化，将式(8)对时间t 求傲商并除以式(8)，
便得地面晴天大气电场相对变化的表达式：
dt
d dt dr R dt dv v dt dE E λλ1111--= （9） 式(9)表明，地面晴天大气电场的相对变化取决于整层晴天大气电位差的相对变化，整层晴天气柱电阻的相对变化，局地晴天大气总电导率λ的相对变化，即取决于全球雷暴活动的日变化，还取决于气溶胶含量地区性局地条件的日变化。

所以，地面晴天大气电场日变化机制综合作用的结果对多数地方而言，地面晴天大气电场日变化以地区性局地日变化机制起主导作用。

大陆上许多地方晴天大气电场变化型式属大陆复杂型，具有双峰双谷的日变化形式，第一章所谈及的两个峰值和两个谷值出现的时间主要是因为日出后低层大气中热对流和湍流垂宜输送作用开始增强，从而使较低层大气中的气溶胶含量增大，并导致地面晴天大气电导率的减少，但整层晴天气柱电阻的变化却并不明显，于是，在式(9)的等号左边，对大陆地面晴天大气电场日变化起主要作用的第二项和第三项相比较，第三项起主要作用，且有d λ/dt <0，这就导致地面晴天大气电场日变化在上午7～8时左右出现峰值，到了中午至下午，因低层大气中热对流和湍流垂直输送较为旺盛，导致低层大气中的气溶胶向高层大气中输送，从而使整层晴天气柱电阻显著增大，而地面晴天大气电导率的变化并不显著，于是，式
(9)dR/dt 对晴天大气电场的日变化起主要作用，且dR/dt >0，从而导致睛天大气电场的日变化在13～16时左右出现谷值。

到了傍晚和日落后，低层大气中的热对流和湍流的垂直输送作用减弱，大气中的气溶胶含量逐渐减少，而贴进地面大气中的气溶胶含量则因气溶胶的沉降作用而有所增大，导致d λ/dt <0，dR/dt <0.于是，在18～21时左右大气电场复又出现峰值，到了深夜至日出前，低层大气趋于稳定，较低层大气中的气溶胶含量不断减小，从而使地面晴天大气电导率增大，d λ/dt >0，而整层晴天气柱电阻的变化却不显著，从而地面晴天大气电场在2～6时复又出现谷值。

虽然球形电容器模型存在着许多未被准确验证的问题，但大气电场的变化同R 、λ、 V 三因子有着重要的关系是肯定的。

植物是宇宙的生命现象，它不仅同光，温，气，水，肥有关，而且还受生长环境中的各种物理因素的制约，这类因子的变化往往又引起植物的各种应激反应，其中，E ’（t ）>0导致植物吸收阴离子和E ’
（t ）<0导致植物吸收阳离子就是这种应激反应的一个重要现象。

2）大气电场同植物生物电流之间的关系
植物体内不仅包含着从土壤溶液中吸收上来的阴，阳离子，而且包含着糖，蛋白质，核酸合成与分解过程中的电子，质子及其它荷电粒子。

这些荷电物质在外部电场的作用下都
将产生定向移动，形成物质输送电流。

对于处在大气电场中的植物来讲，随着大气电场的变化，其体内感应电场E i 的响应滞后于前一电场的变化时间为10-12～10-16
S ，两者之间的关系为：
E=-E i (10)
因此，植物响应大气电场变化的感应电流j 1的相对变化为： dt
d Edt dE dt dj j 111111λλ+-= (11) 式（11）中λ1为根系—薄层土壤植株顶端的生活体系总电导率。

于是，植株体内的响应电流的相对变化由式(I11)及式(9)可表示为：
dt
d dt d Rdt dR vdt dv dt dj j 11111λλλλ+++-= （12） 式(12)表明，植株体内响应大气电场的变化所产生的养料输送电流既同整层睛天大气电流差、气柱电阻及局地晴天大气总电导率的相对变化有关，又和植株本身及根系与土壤的接触面的电学特点有关。

式(12)中的入1可写作:
)(01+-++⋅⋅=u u a m F λ (13)
式(13)中F 为法拉第常数，m 为植株体液浓度，α为离解系数，u 0+，u 0
- 为阴阳离子的迁移率。

上式表明，植株电导率同体浓度及溶质的离解系数a 和阴阳离子的迁移率以及环境温度日变化规律及其灌溉条件有关。

在生理温度12～30℃的范围内，体液离解系数随温度升高而增太，且离子迁移率也随温度升高而略增加。

目前由于这方面仍缺少详实的资料，故不能做出客观判断。

因而，对植株生活体系的电导率的日变化还需进行更多地研究。

这一问题的解决将会找到植物生物电流及变化的综合形式。

环境中各种气象条件和植物体本身的生理活动时时刻刻地都在变化，植物体内的养料输送电流也在随动，于是，导致了植物也不停地同其生长环境发生在能量与物质的联系。

在植株顶端大气一植株一根系周围土壤系统总电导率不变的情况下，感应的养料输送电流的变化仅取决于大气电场的变化，因而，实现定极性多量输送离子肥料的物理控制模式为： dt t E t t j t t )(21'21⎰--=ρ
(14)
式（14）中“一”同大气电场的变化率符号有关，即当大气电场场强变化率E ＇（t ）>0时，
植株形态学上部的阳离子将下移，形态学下部及土壤中的阴离子则上移，于是，形成了向下的养料输送电流，j为负。

而当E＇（t）<0时，植株形态学上部的阴离子将下移，形态学下都即土壤中的阳离子将上移，形成向上的养料输送电流，j为正。

图2-19 晴天大气电场强度增加时二氧化碳和钙离子在植物体内的运动状态
（图片设计：陈强刘滨疆）
式(12)、(14)表明，电场变化率的大小是决定植株吸收粒子肥料数量的关键参数。

变化率的正负性则又决定了植株从土壤中吸收离子的极性，正或负电场升降变化导致植株吸收离子的极性见图2-19所示，即当晴天大气电场场强增加时，植物吸收二氧化碳（HCO3-），而钙离子C a2+却由植株形态学上方流向下方，而当晴天大气电场场强减弱时，上述过程正好相反。

见图2-20 大气电场的变化与植物体内某些离子输送方向之间的关系
（图片设计：许维辉 刘滨疆）
大气电场变化的规律性导致了植株定极吸收离子的规律。

大气电场的脉动导致了植株对两种极性离子的交替吸收，人为实现电场的变化即可控制植株的生长速度。

3）蛋白质对离子吸收起的作用
蛋白质是两性胶体，它在溶液中可能存在如下两种弱电离的形式：
-
+---⇔⇔COO NH COOH NH COOH NH R R R 2233 H +浓度的增加，可抑制蛋白质分子中羧基的离解和增加氨基的离解，致使蛋白质所携电荷以正电荷为主。

OH -浓度的增加，可抑制蛋白质分子中氨基的离解和增加羧基的离解，致使蛋白所带电荷以负电荷为主。

在晴天大气电场的作用下，植株表层积累了大量阴离子，使表层胞质pH 值保持在一定的碱性上，当电场以E ＇（t ）<0的某一值减小时，不易移动的蛋白质上的负荷形成的剩余电场将对植株内部以及根系周围土壤中的阳离子产生库仑力而将其吸收上来。

在其它气象条件下而形成时负的大气电场可使植株地上部分的表层细胞积累大量的阳离子，瞬间的静电平衡态使表层胞质的pH 值保持在一定的酸性值上，当该电场以E ＇（t ）>0时某一值增加时，由于蛋白质的不易移动性，蛋白质上的正电荷形成的剩余电场将对植株内部以及根系周围土壤中的阴离子产生库仑力而将其吸收上来。

因此，蛋白质的两性特点保证了阳离子或阴离子在正电场E ＇(t)<0或负电场在E ＇（t ）>0时被吸引至植株形态学上部。

大气电场的升降变化和蛋白质的这种两性特点是植物正常生长的必要条件，但由于正的大气电场，即晴天大气电场年保留时间高于负的大气电场，故植株通常吸收阴离子要较阳离子多。

4)植株表层离子与大气的电荷交换
植株表层在晴天大气电场感应下积累的阴离子所携带的负电荷林在植株的各个尖端部位对大气阳离子放电，进行电荷交换。

静电场中的植株叶片的红褐色便是电极—大气一植株体系内部放电形成新物质的结果。

这些表层的荷负电荷的物质在放电的同时也可能受到日光这种高频电磁场的激发或随蒸腾流一起脱逸植物体。

无论大气电场变或是不变，植株表层电荷密度的降低势必重新引起电荷的分配或重新由土壤中吸收同极性离子。

即植物体表层离子同大气离子的交换以及逸出促进了植物体的吸收功能。

气孔护卫细胞膜的水膜由于静电场的作用，其液面分子处于定向排列，且随外加电场的增大，定向排列越明显，表面张力下降值就越大。

其张力变化值为：
∆f=a （e bv -1）（a 、b 为常数） （15）。