晴天電場

晴天電場（fair-weather electric field）是指由於地面帶負電荷，大氣帶正電荷而產生的指向朝下，強度約130V/m的正常狀態大氣電場。

基本介紹

• 中文名：晴天電場
• 外文名：fair-weather electric field
• 學科：大氣科學
• 強度：130V/m

學科： 大氣科學 —> 大氣物理學

漢語推薦使用規範名詞：晴天電場

英文等價術語： fair-weather electric field

術語定義(漢語)：

簡介

晴天電場是作為參考的正常狀態的大氣電場。在晴天電場中，水平方向的電場可略去不計。大氣電學中規定這種指向鉛直朝下的電場為正電場，其梯度稱為大氣電勢梯度。晴天電場隨緯度而增大，稱為緯度效應。在地表和電離層兩個良導電面之間形成的晴天電場，其值以地表為最大，隨高度按指數律迅速減小。

就全球平均而言，電場強度在陸地上為120伏/米，在海洋上為130伏/米。在工業區，由於空氣中存在高濃度的氣溶膠，電場強度會增至每米數百伏。在海洋和兩極地區，電場日變化和地方時無關，在世界時(格林威治平太陽時)19時左右出現極大值，04時左右出現極小值，呈現一峰一谷的簡單波狀，振幅約達平均值的20%，其它地區為雙峰形。但對大多數陸地測站而言，電場日變化和地方時有密切關係，通常存在兩個起伏,地方時04~06時和12~16時出現極小值,07~10時和19~21時出現極大值,振幅約達平均值的50%,這種變化與近地面層氣溶膠粒子的日變化密切相關。電場的年變化，在海洋上不明顯;而在南、北半球陸地測得:冬季出現極大值，夏季出現極小值。有人發現大氣電場還有27天和11年周期的變化。

背景介紹

大氣電場是指大氣中存在的電場。地面帶著負電，大氣中含有淨的正電荷，所以大氣中時刻存在電場。大氣電場的方向指向地面，強度隨時間、地點、天氣狀況和離地面的高度而變。大氣電場也稱自然電場，是地球環境中存在的一種自然現象，並對地球環境中的植物生長發育以及病蟲害發生與發展產生著一種“無形”控制，它是繼光、溫度、水分、空氣、土壤、肥料之後於上世紀九十年代才發現的新要素。大氣電場的形成是由帶負電荷的地球和帶正電荷的電離層組成的類似於球形電容器產生的。

大氣電場按天氣狀況可分為晴天電場和擾動天氣電場。

晴天電場的方向

觀測表明，晴天大氣中始終存在方向垂直向下的大氣電場，這意味著大氣相對於大地帶有正電荷，而大地帶的是負電荷。大氣和大地帶異性電荷是大氣電場形成的原因。同時大氣中又存在有晴天大氣傳導電流，不斷中和大氣和大地所帶的電荷，使大氣電場不斷減弱。當有雲時，雲中大氣電過程所產生的帶電降水形成降水電流，也不斷中和大氣和大地所帶的電荷。維持恆定的大氣電過程，其原因是大氣中存在有雷暴電過程，當有雷暴時，雲地閃電及雲下方地物和植物的尖端放電過程，將增加大氣和大地所帶的異性電荷。當大氣中的帶電過程和電荷中和過程達到平衡時，形成恆定的晴天大氣電場。

晴天大氣等電位面

大氣中電位分布可以用等電位面表示，大氣電位的分布可以用等電位面表示，即是大氣中電位相同各點連面的面，由於大地看成是導體，是一個等勢面，大氣的等電位面與大地表面相平行。通常高度越低，晴天大氣電位面的值越小；反之高度越高其值就越大。

若n 是大氣中某一點大氣等電位面的法向矢量，且由低電位指向高電位，則該點的電場表示為，

上式表明，大氣電位分布密集的地方，電場較強。同時也可以看到，大氣電場和等勢面與地表面的曲率有關，可以分下面兩種情況：

（1）平坦地表：對於平坦地表，晴天大氣等電位面為平行於地面的平面，單位法向矢量 n 垂直向上，與坐標 z 軸重合，因此晴天大氣電場只存在垂直分量Ez，而其水平分量都為0。這時有。

（2）地表呈起伏或不平坦時, 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。因此晴天大氣電場不僅只有垂直電場，而且有水平分量EX、EY。但是，當觀測點離地物的距離大於其垂直高度的3 倍（電線桿）或5 倍（山丘）時，地形對大氣等勢面的影響就可忽略。

大氣電場的符號：在靜電學中，電場方向從正電荷指向負電荷，即為正電場；否則為負電場，因此大氣電場垂直向下為正，與坐標軸z 方向正好相反。而垂直向上為負的大氣電場。

特徵

晴天電場為正電場，具有空間、時間分布特徵。其電場強度可隨緯度、氣溶膠含量、地面高度、局地特點、時間變化而變化。

晴天電場的空間變化特徵

1、晴天電場的地理分布

大陸上地面晴天大氣電場隨地點的變化較為複雜，就全球平均而言，電場強度E₀在陸地上為120伏/米，在海洋上為130伏/米。我國廣州的大氣電場的平均值為87v·m^-1，日較差為11%，而伊寧則為56v·m-1，日較差為129%，各地區大氣電場的不同會導致植物生長變化的多樣性。

晴天電場因時因地而異，其中與氣溶膠的濃度有密切關係，它表現為：

（1）海洋：由於下墊麵條件相近，晴天電場間的差異很小。就全球而言，海面晴天電場約為130V/m。

（2）陸地：局地條件相差很大，各處電場的差異也很大。如我國伊寧的平均電場為56 V/m，美國斯坦福為76 V/m，俄羅斯巴甫洛夫斯克為171V/m。對於人口密集地區的大城市、工業區，地面晴天大氣電場為130 V/m 以上；而在鄉村地區，離氣溶膠源地較遠，一般小於130V/m。

（3）緯度變化：陸地上由於各處局地條件的差異，因此地面晴天大氣電場隨緯度的變化不十分明顯；而海上由於局地條件相近，晴天大氣電場隨緯度的變化較為明顯。在緯度0-200 處，晴天大氣電場約為120 Vm-1，緯度20-400N 範圍內，晴天大氣電場約為125 V.m-1，緯度增大到 40-600N 處，大氣電場明顯增大，約為155 Vm-1，最大值位於緯度500 處。再往北，大氣電場減小。

2、晴天電場隨高度變化

晴天大氣電場場強也因時因地而異。通常，晴天大氣電場隨高度增加近似呈指數規律遞減的分布特徵。然而，即使在同一時刻，晴天大氣電場在不同高度範圍內隨高度的分布規律也不盡相同，在貼近地面的大氣層中，晴天大氣電場將受大地電極效應的影響。由於大地帶負電荷，因而在貼近地面的一薄層大氣中積累了大量符號相反的正電荷，而且體電荷密度在該氣層中很不均勻，具有隨高度增加而急劇遞減的變化特徵，於是該氣層中便形成了較強的大氣電場。晴天大氣電場受大地電極效應影響而增大1倍的高度分別為1m和5m左右，高度為零處的晴天大氣電場為未受大地電極效應影響的晴天大氣電場的2.8倍。

根據靜電學感應原理，貼近地面的晴天大氣電場強度的增加，其植物體表層將感應出更多的荷負電的離子。陰離子積累在植株葉緣或葉脈等尖端部位最易獲得大氣正電荷的中和而發生化學反應。比如葉內的OH-負離子,它可對大氣中陽離子或荷正電荷的粒子放電而發生4OH—-4e=O2↑+2H20的還原反應。感應積累於葉面表層的OH-在日光電磁場的激發下很易在氣孔等棱緣處放出電子，這個反應也許同植物的光合作用放氧有關。在人為施加靜電場的環境中，有些植物也能在黑暗中進行光合作用就是對這一推測的正確性的證明。

晴天電場的時間變化特徵

晴天大氣電場具有較明顯的日變化和年變化，還存在周期約幾分鐘至十幾分鐘的脈動起伏變化。

1、晴天電場日變化規律

晴天大氣電場日變化的波形受兩種機制的影響，一種是全球普遍變化的機制，主要與全球雷暴活動的日變化有關，另一種是地方性局地變化機制，主要與局地大氣狀況的日變化所導致大氣電導率和大氣體電荷密度等大氣電學量的日變化有關。根據世界各國的觀測結果，可將地面晴天大氣電場日變化歸納為二種基本類型。

第一類為地面晴天大氣電場日變化具有單峰單谷的變化波形。通常,這類地面晴天大氣電場日變化的峰值出現在下午至傍晚，即地方時13時至19時左右。谷值多出現在清晨，即地方時2時至6時左右，遠離人口密集的大城市、工業區和氣溶膠自然源地的小城鎮和鄉村地區，其地面晴天大氣電場日變化有些屬於這一類型。這類地區的植物可在晴天大氣電場向峰值變化時從土壤中獲得陰離子HCO3-、OH-等，又可在晴天大氣電場由峰值向谷值變化時吸收陽離子Ca+2等。因而，這類地區的植物在每日中有兩次大規模吸收陰離子或陽離子的時間，這類地區的生物產量往往不會太高。

第二類為大陸複雜型。這類地面晴天大氣電場日變化具有雙峰雙谷的變化波形.通常,第一峰值多出現在上午地方時7時至10時左右，第二峰值多出現在晚間地方時18時至21時左右，第一谷值多出現在清晨地方時2時至6時左右，第二谷值多出現在下午地方時13時至16時左右，離人口密集的大城市、工業區和氣溶膠自然源地較近的地區的地面晴天大氣電場日變化多屬於這一類型。這類地區的植物在每日裡分別有兩次大規模地吸收陰離子和陽離子的時間，故其生物產量一般高於單峰單谷地區。

氣象條件與晴天大氣電場之間的關係，往往是通過其他大氣電學量對晴天大氣電場產生間接影響的結果。由於大氣電場與晴天大氣電導率之間關係呈負相關，因此，對晴天大氣電導率產生影響的氣象條件都將間接影響晴天大氣電場。通常，在午夜至黎明之前，地面氣溶膠濃度出現第一極小值,大氣輕離子濃度增大,晴天大氣電導率增大,致使晴天大氣電場減小，大氣電場出現第一極小值。日出後由於熱對流和湍流垂直輸送作用的加強，使近地面大氣中氣溶膠濃度增大，大氣輕離子濃度減小，致使晴天大氣電導率減小，最後使晴天大氣電場增大，大氣電場出現第一大值。中午至下午因熱對流和湍流垂直輸送較為旺盛，這就使近地面大氣中的氣溶膠大量向上輸送，於是地面氣溶膠濃度反而下降，大氣輕離子濃度增大，又導致晴天大氣電導率增大，從而使晴天大氣電場減小，出現第二谷值,到了傍晚，大氣趨於穩定，近地面大氣中的氣溶膠不宜向上輸送，從而使地面氣溶膠濃度復又增大，大氣輕離子濃度減小，晴天大氣電導率減小，這又導致了晴天大氣電場出現第2峰值。

溫度，水汽壓影響著晴天大氣電場的變化，晴天大氣電場的變化量又決定著植物從土壤中吸收肥料的電極性和數量以及帶電同化物的運移。通常，太陽光、溫度、水份對植物生長的影響也可歸結為這類氣象因子的變化在良好的生長環境中通過大氣電場的變化以及大氣電場變數△E對離子的驅動條件而植物生長產生作用。

大氣電場的這種脈動變化對於植物的生長具有重要的意義，有趣的是植物開花的時間也多集中在兩個峰值區。科學家通過多峰多谷的實驗，亦確定了多變的靜電場可以加快植物的生長。晴天大氣電場波動的增量△E往往可以導致植物從土壤中吸收增量為△G的陰離子量和從植物生態學上部向下運轉△G、的荷正電荷的物質,而其電場強度的減弱又往往會導致植物從土壤中吸收陽離子和從其生態學上部往下運輸陰離子同化物。兩種極性的荷電養料的相反運動又往往會產生許多生化反應。

2、晴天電場的年變化規律

晴天電場的年變化規律因地而異。地面和海面晴天大氣電場年變化波形一般具有單峰單谷的變化波形，其波谷在南半球和北半球大陸多出現在7月左右.然而有些地區，特別是熱帶地區，其地面晴天大氣電場念變化具有雙峰雙谷的變化波形。比如，印度尼西亞瓜哇地區就是如此。4月份以前和10月份以後，較高的大氣電場及其變化率有利於植物在比較寒冷的天氣中吸收養料，增加溶質以抵抗寒冷的侵害。從電場可驅動離子運動這一特性來講，既然冬季大氣電場較強，那么植物尤其是樹木也可在冬日集聚養料，提高溶質濃度抵禦低溫災害。大氣電場年變化的這一特點，對植物來年春天的開花生長則具有重要的科學意義。

3、晴天電場的脈動變化

晴天大氣電場具有脈動變化，其周期大約從幾分鐘到幾十分鐘，其變化與地理環境有關，還與大氣湍流等氣象要素有關。如我國貴州湄潭觀測到在日出霧消後的8~9 時左右，地面大氣電場出現周期為幾分鐘的強烈脈動起伏變化，脈動振幅可達50%左右，這可能是日出後地面因太陽加熱而在近地面形成較強的湍流，破壞了近地面大氣的電狀況。地面大氣電場的脈動變化具有明顯的日變化，其峰值出現於中午至下午，谷值出現於黎明前。這與中午到下午近地面大氣對流較旺盛，早晨大氣較穩定有關。地面大氣電場脈動變化還有明顯的年變化，其峰值出現於夏季，谷值出現於冬季。

晴天電場的類型

晴天電場可分成四類：

（1）晴天電場隨高度單調遞減，其數值始終為正，從地面 2~3km 範圍內，大氣電場隨高度分布的經驗關係為 ，式中 E₀ 是地面晴天大氣電場，單位為V/m, a 為係數, 不同地區的a 不同。

（2）晴天電場隨高度單調遞減，其數值低層為正，至某一高度層以上，數值為零或負。大氣電場改變符號的高度為3-4km 左右。

（3）晴天電場隨高度單調遞增，其值為正，大約在500-700m 高度範圍內，晴天大氣電場達最大值，然後隨高度單調遞減。

（4）晴天電場隨高度變化較小，其值為正。