大氣電學

大氣電學是研究電離層以下大氣中發生的各種電學現象及其生成和相互作用的物理過程的學科，是大氣物理學的一個分支。

基本介紹

• 中文名：大氣電學
• 外文名：atmospheric electricity
• 所屬學科：大氣科學
• 構成要素：晴天電學和擾動天氣電學
• 套用：電力、通信、建築、航空等

簡介

大氣電學對電力、通信、建築、航空和宇航等部門有重要作用，這些部門的發展，也促進了大氣電學的研究。大氣電學主要由晴天電學和擾動天氣電學兩部分構成。雷雨雲中產生電荷並形成一定空間分布的過程，是大氣電學的重要內容之一。

簡史

18世紀中葉，美國B·富蘭克林第一次用風箏探明雷擊的本質就是電，蘇聯M·B·羅蒙諾索夫和T·B·里赫曼用自製的測雷器探測到雷暴過境所引起的電火花。18世紀末，發現了大氣微弱的導電性，通過觀測研究，又逐漸發現了大氣電場、大氣離子和地球維持有負電等一系列電學現象。自20世紀20～30年代起，逐步在雲中起電、閃電物理學等方面進行了較系統的觀測和研究。50年代以後，大氣電學的研究，已和空間電學有機地結合起來，並且探討了大氣電作為日地關係的中間環節，在整個地球大氣演化和天氣氣候變化中的作用。

大氣電學家汪德昭院士

內容

大氣電學主要由晴天電學和擾動天氣電學兩部分構成。

晴天電學

研究全球範圍晴空地區發生的電學現象及其活動過程。主要是觀測晴天大氣電場、大氣離子、地空電流、大氣電導率等，弄清它們變化的規律和原因，研究全球大氣電平衡。晴天電狀態是大氣正常的電狀態，它們的變化同天氣狀況和人類活動的影響（如工業污染、核爆炸）有關，這種關係的探索和套用，是晴天電學的一個研究方向。

閃電是一種大氣電學現象

1、雷暴（thunderstorm）

由對流旺盛的積雨雲引起的、伴有閃電雷鳴和強陣雨的局地風暴。雷暴過境時，氣象要素和天氣的變化都很劇烈，瞬時風速一般為15～25米/秒,風速極大時甚至可達40米/秒，降水陣性強,常形成暴雨。強烈的雷暴甚至帶來冰雹、龍捲、雷擊等嚴重災害。雷暴屬中小尺度天氣系統，研究雷暴，對於局地災害性天氣的預報和人工消雹等，都有重要的意義。作為地面觀測項目，雷暴則僅指伴有閃電和雷聲的現象。

雷暴形成於層結強烈不穩定的大氣中，在這種大氣的低層，如果存在使低層空氣抬升至一定高度的觸發條件，就可產生對流雲。一般觸發機制有地面受熱後空氣上升、氣流系統性輻合上升、氣流遇山地抬升和鋒面抬升等。除氣團內部熱雷暴外，常見的有鋒面雷暴、冷渦、雷暴、颱風雷暴以及其他熱帶天氣系統所產生的雷暴等。按雷暴的強度、水平範圍、持續時間等不同，可分為一般雷暴和強雷暴兩類。

2、地空電流（air-earth current ）

在大氣電場作用下，大氣中的正離子向下移動，負離子向上移動而形成的一股較穩定的電流。晴天地空電流密度幾乎不隨高度變化,約為(2～4)×10-16安/厘米2，據此求得全球的總地空電流約為1800安。 　

根據歐姆定律,氣體中的傳導電流密度為J =σE, 這裡E 是大氣電場強度，σ 是大氣電導率。由於大氣中電流密度J 基本恆定，所以E 和σ 幾乎成反比。晴天地空電流具有日變化和年變化，不過前者因地而異,沒有普遍一致的特徵。陸地上的晴天地空電流,冬季出現極小值，夏季出現極大值，但海洋上這種年變化卻很微弱。對地空電流的這些變化，尚無滿意解釋。晴天地空電流也有不規則的變化，如美國夏威夷州冒納羅亞高山觀象台在28次太陽耀斑爆發前後所測晴天地空電流的分析結果表明，太陽耀斑爆發之後地空電流比正常值增大11.7%，並且80%的這種情況都發生在耀斑爆發後24小時內。這類觀測事實，促進了人們關於太陽活動與大氣電學關係的研究。

3、大氣電導率

大氣電導率是正比於大氣離子濃度和遷移率的乘積的物理量。由於小離子的遷移率遠大於大離子，故大氣電導率主要取決於小離子。符號相同的離子產生的電導率，稱為極性電導率。大氣中正極性電導率()稍大於負極性電導率()，這和大氣中正離子濃度大於負離子濃度的事實相吻合。大氣電導率（σ）等於正、負極性電導率之和，在海平面上，其平均值約為 2×10/（歐·厘米）（或1.8×10/秒）。此時，一個電荷為Q的孤立導體球，經過時間=1/4π（約七分半鐘， 稱為張弛時間）之後，其上的電荷由於傳導作用將減少到 Q/e（e是自然對數的底），大約為原電量Q的37%。大氣電導率的變化和大氣電場變化趨勢相反，它隨高度按指數律遞增（中、低緯度地區大氣平均電導率（實線）及其極值（虛線）隨高度的分布]），這是由於宇宙射線強度隨高度增大、高空空氣密度小而離子遷移率大等因子造成的。

4、全球大氣電平衡（balance of global atmospheric electricity）

地球平均擁有5×105庫的負電，這是地球和大氣之間的各種電流輸送過程達到平衡所致。這些輸送過程主要是晴天地空電流、閃電放電、降水電流和尖端放電。

（1）地空電流：晴天地區存在著一股由大氣向地面輸送正電荷的電流，全球總量約為1800安。

（2）閃電放電：到達地面的閃電放電，絕大多數向地球輸送負電荷，其平均值為20庫。據粗略估計，全球總雷暴活動平均每秒產生 100個閃電，若其中有20%為地閃，則閃電放電向地球輸送的電流總量達400安。

（3）降水電流：各種降水向地面輸送的電量差異很大，有時為正，有時為負，偶爾才出現完全帶正電(或負電)的降水情況，從總體而言，降水向地面輸送正電，且以雷雨輸送的電量為最大。降水帶到地面的電荷符號(正)與雷雨雲下的電場符號(負)相反(見雷雨雲起電)，這可能是雷雨雲下尖端放電釋放的大量正離子被降水粒子捕獲所造成的。全球降水的電流總量估計可達600安。

（4）端放電：尖端放電在全球大氣的電平衡中占有重要地位。在人工電場或雷雨雲電場中，對人造尖端和自然尖端（樹木、青草等）的放電電流進行廣泛實驗測量的結果，說明由尖端放電向地面輸送的負電量大於正電量，兩者之比各地不同，約為1.5～2.9。尖端放電向地球輸送的負電量最大，全球尖端放電電流總量約為2000安。

從全球平均而言，以上四種電流使大氣維持電平衡。但是，除晴天地空電流外,由於測站很少,各地電流的變化又較大，要精確估計其他電流的數值都比較困難。儘管一些陸地測站測得的四種電流不能平衡，往往使陸地上淨得負電量，但考慮海洋上空尖端放電要小得多，這一區域有可能使地球淨得正電量，從而達到全球的電平衡。對上述四種過程所輸送的電流總量的估計，還是初步的，待資料更全面時，才可能作出更接近實際的估計。上述事實說明全球大氣的電平衡是由雷暴活動維持的，雷暴時的閃電放電和尖端放電造成由地面流向電離層的、與晴天地空電流相當的補償電流。因此，雷暴是大氣電的源，而晴天地空電流是大氣電的匯。

擾動天氣電學

研究雲雨等擾動天氣，特別是伴隨雷暴發生的電學現象及其活動過程，這種活動在大氣電學中占有重要地位，它們是全球大氣電平衡中的原動力，同雲霧降水過程密切相關。擾動天氣電學的內容主要包括：

1、雲中起電

研究雲中電荷的生成、分離和形成一定分布的過程。通過大量觀測，已對各種雲系中電結構有了一定了解，提出了一些起電理論，但都未臻完善。

雷雨雲中電荷分布模式最先為雷雨雲的電偶極子模式：雷雨雲上部為中心高度 6公里、半徑2公里、含正電24庫的區域，下部為中心高度3公里、半徑 1公里、含負電20庫的區域，雲底附近有一個中心高度1.5公里、半徑0.5公里、含正電 4庫的區域（往往稱為正電荷中心）。這是從雷雨雲電場探空儀（G.C.辛普森在20世紀30～40年代利用尖端放電原理製成的）的數十次探測結果歸納出來的。隨著探測技術的改進和觀測資料的積累，對上述電偶極子模式提出不少修正，如各電荷中心的電量和所在高度均有改變。觀測還發現，電偶極子的軸常會傾斜，某些雷雨雲中電荷中心的分布還會反轉過來，但在尚無更合理的模式之前，仍用電偶極子模式來代表雷雨雲中的電荷分布。

壯觀的雷雨雲

根據觀測結果，雷雨雲中的電除上述電偶極子分布外，還有下列特徵：①單個雷暴的降水和電活動時間為30～40分鐘。②雲厚至少為3～4公里才能產生強起電和閃電；發展很高的雷雨雲，閃電頻數要高得多；雲中有冰存在的區域內能產生強起電和閃電，但無冰存在的雲內偶爾也能產生強起電。③強對流活動和降水兩者是產生閃電的重要條件，但降水小於3毫米/時的雲也能產生閃電。④雷雨雲中產生閃電的平均率為每分鐘數次，要求的起電電流為1安，每次閃電放電大約產生100庫·公里的電矩變化，相應的電荷輸送量為數十庫。⑤雲中電場強度平均在(2～5)×104伏/米之間，但強起電過程能產生的雲中電場強度大於 4×105伏/米，空間電荷大於2×10-8庫/米3。

2、雷電物理學

研究自然閃電和雷的物理特性、形成機制和發展規律，這是大氣電學中研究得最多且最集中的課題，對閃電產生的高溫、高壓、高亮度、高功率、強輻射等效應的研究，同氣體放電物理、電漿物理、高速攝影、光譜學、電磁波輻射和傳播、激震波以及聲波等方面的研究密切相關。

（1）閃電（lightning）

大氣中發生的火花放電現象。通常在雷雨雲情況下出現，但在雨層雲、雪暴、塵暴和火山爆發時也會偶爾出現。閃電按發生的部位可分為雲內放電、雲際放電和雲地放電三種,前兩種統稱為雲閃,第三種稱為地閃。自然界中大部分閃電為雲閃。 地閃與閃電總數的比值為1/3～1/6(溫帶地區的比值高於熱帶地區)。由於地閃對人類活動和生命安全有較大威脅，故研究比較多。

閃電現象和它對人類活動的影響，早已引起人們的注意。中國早在公元前14世紀的殷代甲骨文中，就已有關於雷電的記載(見大氣科學發展簡史)。後在西漢劉安等著的《淮南子》中,提出“陰陽相薄為雷,激揚為電”的思想。東漢王充在《論衡》一書中指出：“雷者，太陽之激氣也。”他還總結了雷電活動的季節性：“正月始雷”、“五月雷迅”、“秋冬雷潛”。到18世紀,為揭示閃電的性質,許多科學家進行了探測實驗。如美國學者B.富蘭克林在1750年曾提出，用裝在高塔上的避雷針,由雲中引電進行測量的構想。1752年6月他冒著雷擊的危險，在費城進行了著名的風箏探測雷電的實驗，觀測到了通過風箏引線由雷雨雲產生的電火花，證實了自然閃電和摩擦產生的電本質的一致性。同一時期，蘇聯學者Μ.Β.羅蒙諾索夫和Γ.Β.里赫曼用自製測雷器探測到了雷暴過境所引起的電火花，不幸的是里赫曼為閃電擊斃。自此以後，開始了關於閃電在電學基礎上的近代研究。

（2）雷電定位（atmospherics location）

根據天電確定閃電（因而雷暴）所在地理位置的方法和技術。主要分為多站定位和單站定位兩類。雷電定位對於天氣預報、森林防火、航空、火箭及飛彈的遙控等方面都有重要意義。

多站定位

利用兩個或多個相隔一定距離的定位站同時觀測同一閃電產生的天電信號，確定閃電所在位置。定位的方法有兩種：①交叉環陰極射線測向法。從20世紀30年代以來已被廣泛套用。每站裝備一台定向儀，由兩個相同的垂直框形天線分別按東西、南北方向放置，接收來自閃電的垂直極化的天電磁場信號，並用一鞭狀天線接收電場信號以消除方位反向的不確定性。通過示波器或數據處理裝置測定閃電的來向。各站所定方位的交叉點就是閃電的地理位置。該方法的誤差在於：閃電通道常常不是對地嚴格鉛直，而具有一定的水平輻射成分，在傳播過程中還會產生極化方向的交叉干擾，而定向儀接收天線做不到絕對不接收水平分量，這種干擾容易引起誤差。誤差大小隨所選用接收頻段而異，一般為5°～30°。利用門限技術,只接收起始天電脈衝可以減小定向誤差。此外，接收站所處地形和裝置本身也會引起誤差。②測量同一閃電的起始信號到達各測站的時差來確定閃電位置。此法可以避免交叉環陰極射線測向法所存在的誤差，但對各測站的定時要求需小於10微秒，比測向法所要求的10毫秒同時性高得多,花費也大。在200公里以內的近距定位中，採用甚高頻波段時差法曾獲得成功。

單站定位

從一站同時確定閃電的方向和距離。方向一般採用交叉環陰極射線測向法測定。定距方法還不成熟。已提出的幾種方案，從原理上看，都是利用電磁波傳播中不同頻率成分所受影響不同來測定距離的。大致有如下三種方案：①由於不同頻率電磁波在大氣中的衰減不同，測量幾個不同頻率（一般在甚低頻段）的天電信號的振幅，由它們之間的比值來定距；②由於天電波形中的甚低頻（3～30千赫）和極低頻（0.3～3千赫）兩種成分在大氣中的傳播速度不同，極低頻成分的傳播速度低於甚低頻成分，離天電源越遠，兩種成分到達的時差越大，測量這個時差就可以定距離；③利用閃電輻射中某頻率成分（極低頻段）的電場和磁場分量在傳播過程中受電離層和地磁場的不同影響，例如隨著距離增加，二者的相位差逐步增大，測量這種相位差即可定距。這三種方案雖然都有過一些初步試驗，但由於傳播中所涉及的因子比較複雜,驗證起來也比較困難,都沒有完全成功。從發展看，結合這幾種原理的綜合定距法最有前途。測定雷暴位置時，還可以對上述振幅譜資料和頻散資料作統計處理，以期得到較好的雷暴定位結果。由於單站定位只需要單點和一套設備，不需要多站指揮、通信和時間同步系統，所以是研究的重點。

3、人工抑制雷電 （lightning suppression）

設法抑制或削弱雲中的雷電活動，以消除或減弱其危害的試驗研究。在全球範圍內，每瞬間大約有2000個雷暴活動，平均每秒產生 100次以上閃電。閃電有時會擊斃人畜，毀壞建築物，引起森林火災，威脅航空和航天的安全，因而引起人們的重視。

人工抑制雷電的試驗，開始於 20世紀 60年代初期。試驗的方法主要有三種：①在積雨雲內播撒大量成冰催化劑（見播雲催化劑）。1965～1967年，美國對26塊風暴雲的試驗結果表明,催化後比不催化的放電次數少,並且閃電持續的時間也短。有一種假說認為：播撒成冰催化劑（如碘化銀）之後，雲中產生大量的冰晶，使過冷水蒸發，從而減弱雲中的起電過程(見雷雨雲起電)。②在積雨雲內播撒大量細小的金屬針。通過金屬針的電暈放電,使雷暴電荷的損耗加快,減弱電場強度，從而削弱或消除雷電。美國在1972～1973年播撒直徑25微米、長10厘米的鍍鋁尼龍絲，使電場強度為 35千伏/米的雲中產生電暈放電，從而使電場強度減弱到產生閃電所需要的強度（約300千伏/米）以下。試驗表明：播撒鍍鋁尼龍絲之後，雲的閃電次數較快的趨向於零，而不播撒的雲則沒有這種現象。③人工觸發閃電。將火箭等發射到積雨雲中，使雲和火箭之間形成閃擊，以減少雷電對保護目標的威脅。總之，人工抑制雷電的試驗次數還不多，效果也不很顯著，仍處在探索階段。

套用

根據雷電的各種特徵，尤其是電磁輻射特徵，已提出各種雷電探測和定位的方法（見雷電定位）。從60年代以來，人工消除或誘發閃電的方法，已取得了一些結果（見人工抑制雷電）。隨著人類活動領域的擴大，大氣電學的研究已愈來愈與空間電學密切結合在一起。

推動因素

人們對大氣中的許多物理現象，如虹、暈、華、雷、閃電等早已注意，並進行過研究，但內容分散在物理、化學、天文、無線電等學科之中。20世紀40年代以來，有幾個重要因素推動迅速發展：

① 隨著人類在大氣中活動範圍的迅速擴展，大氣物理學的研究領域不斷擴大。如為了改進大氣中的電波通信、光波通信、提高飛彈制導水平，就需要了解它們所賴以傳播的大氣介質及相互作用，因此就要研究大氣的聲、光、電和無線電氣象；又如，為避免晴空湍流引起飛機墮毀的事故，就要研究大氣湍流。

② 由工業生產排入大氣中的大量氣溶膠和污染物通過擴散造成大氣污染，有些通過沉降或降水形成酸雨等，又被送到地面，導致土地河流污染、造成對植物和人類的嚴重影響。既要發展生產，又必須使大氣不超過其對污染物質的稀釋能力，這就要詳細研究大氣邊界層的物理特性。

③ 生產活動和人類的其他活動，影響著自然環境。如大氣中二氧化碳含量逐年增加，影響著大氣輻射過程和氣候變化規律。這些又影響農業生產，特別是糧食生產。糧食問題導致對氣候變化的關注，進而促進了對大氣輻射問題的研究。

④ 工農業用水逐年增加，就必須充分利用大氣中豐富的水分，這就要開發大氣中的水資源；此外，為避免或減輕天氣災害，又推動著人工影響天氣試驗研究的廣泛開展，從而促進了雲和降水物理學的研究。

⑤ 60年代以來，遙感技術飛速地發展起來，輻射傳輸是遙感的基礎，由此推動著大氣輻射學的研究；人造衛星、電子計算機的發展，新技術（如雷射、雷達、微波）的套用，給研究提供了有力的探測工具，獲得了更多的探測資料，從而大大加速進程。

相關學科

大氣科學、氣候學、物候學、古氣候學、年輪氣候學、大氣化學、動力氣象學、大氣物理學、大氣邊界層物理、雲和降水物理學、雲和降水微物理學、雲動力學、雷達氣象學、無線電氣象學、大氣輻射學、大氣光學、大氣電學、平流層大氣物理學、大氣聲學、天氣學、熱帶氣象學、極地氣象學、衛星氣象學、生物氣象學、農業氣象學、森林氣象學、醫療氣象學、水文氣象學、建築氣象學、航海氣象學、航空氣象學、軍事氣象學、空氣污染氣象學。

開設院校

開設大氣電學專業的一本大學有：南京信息工程大學，蘭州大學，二本大學有成都信息工程學院，三本有南京信息工程大學濱江學院，一些專科也有該專業，但偏向於雷電防護。有些學校把這個專業稱作雷電防護科學與技術。其中南京信息工程大學有大氣電學專業的碩士點和博士點。