[科普中国]-大气电学

简介

大气电学对电力、通信、建筑、航空和宇航等部门有重要作用，这些部门的发展，也促进了大气电学的研究。大气电学主要由晴天电学和扰动天气电学两部分构成。雷雨云中产生电荷并形成一定空间分布的过程，是大气电学的重要内容之一。2

简史18世纪中叶，美国B·富兰克林第一次用风筝探明雷击的本质就是电，苏联M·B·罗蒙诺索夫和T·B·里赫曼用自制的测雷器探测到雷暴过境所引起的电火花。18世纪末，发现了大气微弱的导电性，通过观测研究，又逐渐发现了大气电场、大气离子和地球维持有负电等一系列电学现象。2自20世纪20～30年代起，逐步在云中起电、闪电物理学等方面进行了较系统的观测和研究。50年代以后，大气电学的研究，已和空间电学有机地结合起来，并且探讨了大气电作为日地关系的中间环节，在整个地球大气演化和天气气候变化中的作用。

内容大气电学主要由晴天电学和扰动天气电学两部分构成。

晴天电学研究全球范围晴空地区发生的电学现象及其活动过程。主要是观测晴天大气电场、大气离子、地空电流、大气电导率等，弄清它们变化的规律和原因，研究全球大气电平衡。2晴天电状态是大气正常的电状态，它们的变化同天气状况和人类活动的影响（如工业污染、核爆炸）有关，这种关系的探索和应用，是晴天电学的一个研究方向。

1、雷暴（thunderstorm）

由对流旺盛的积雨云引起的、伴有闪电雷鸣和强阵雨的局地风暴。雷暴过境时，气象要素和天气的变化都很剧烈，瞬时风速一般为15～25米/秒,风速极大时甚至可达40米/秒，降水阵性强,常形成暴雨。强烈的雷暴甚至带来冰雹、龙卷、雷击等严重灾害。雷暴属中小尺度天气系统，研究雷暴，对于局地灾害性天气的预报和人工消雹等，都有重要的意义。作为地面观测项目，雷暴则仅指伴有闪电和雷声的现象。2

雷暴形成于层结强烈不稳定的大气中，在这种大气的低层，如果存在使低层空气抬升至一定高度的触发条件，就可产生对流云。一般触发机制有地面受热后空气上升、气流系统性辐合上升、气流遇山地抬升和锋面抬升等。除气团内部热雷暴外，常见的有锋面雷暴、冷涡、雷暴、台风雷暴以及其他热带天气系统所产生的雷暴等。按雷暴的强度、水平范围、持续时间等不同，可分为一般雷暴和强雷暴两类。

2、地空电流（air-earth current ）

在大气电场作用下，大气中的正离子向下移动，负离子向上移动而形成的一股较稳定的电流。晴天地空电流密度几乎不随高度变化,约为(2～4)×10-16安/厘米2，据此求得全球的总地空电流约为1800安。 2

根据欧姆定律,气体中的传导电流密度为J =σE, 这里E 是大气电场强度，σ 是大气电导率。由于大气中电流密度J 基本恒定，所以E 和σ 几乎成反比。晴天地空电流具有日变化和年变化，不过前者因地而异,没有普遍一致的特征。陆地上的晴天地空电流,冬季出现极小值，夏季出现极大值，但海洋上这种年变化却很微弱。对地空电流的这些变化，尚无满意解释。晴天地空电流也有不规则的变化，如美国夏威夷州冒纳罗亚高山观象台在28次太阳耀斑爆发前后所测晴天地空电流的分析结果表明，太阳耀斑爆发之后地空电流比正常值增大11.7%，并且80%的这种情况都发生在耀斑爆发后24小时内。这类观测事实，促进了人们关于太阳活动与大气电学关系的研究。

3、大气电导率

大气电导率是正比于大气离子浓度和迁移率的乘积的物理量。2由于小离子的迁移率远大于大离子，故大气电导率主要取决于小离子。符号相同的离子产生的电导率，称为极性电导率。大气中正极性电导率()稍大于负极性电导率()，这和大气中正离子浓度大于负离子浓度的事实相吻合。大气电导率（σ）等于正、负极性电导率之和，在海平面上，其平均值约为 2×10/（欧·厘米）（或1.8×10/秒）。此时，一个电荷为Q的孤立导体球，经过时间=1/4π（约七分半钟， 称为张弛时间）之后，其上的电荷由于传导作用将减少到 Q/e（e是自然对数的底），大约为原电量Q的37%。大气电导率的变化和大气电场变化趋势相反，它随高度按指数律递增（中、低纬度地区大气平均电导率（实线）及其极值（虚线）随高度的分布]），这是由于宇宙射线强度随高度增大、高空空气密度小而离子迁移率大等因子造成的。

4、全球大气电平衡（balance of global atmospheric electricity）

地球平均拥有5×105库的负电，这是地球和大气之间的各种电流输送过程达到平衡所致。这些输送过程主要是晴天地空电流、闪电放电、降水电流和尖端放电。

（1）地空电流：晴天地区存在着一股由大气向地面输送正电荷的电流，全球总量约为1800安。

（2）闪电放电：到达地面的闪电放电，绝大多数向地球输送负电荷，其平均值为20库。据粗略估计，全球总雷暴活动平均每秒产生 100个闪电，若其中有20%为地闪，则闪电放电向地球输送的电流总量达400安。

（3）降水电流：各种降水向地面输送的电量差异很大，有时为正，有时为负，偶尔才出现完全带正电(或负电)的降水情况，从总体而言，降水向地面输送正电，且以雷雨输送的电量为最大。降水带到地面的电荷符号(正)与雷雨云下的电场符号(负)相反(见雷雨云起电)，这可能是雷雨云下尖端放电释放的大量正离子被降水粒子捕获所造成的。全球降水的电流总量估计可达600安。

（4）端放电：尖端放电在全球大气的电平衡中占有重要地位。在人工电场或雷雨云电场中，对人造尖端和自然尖端（树木、青草等）的放电电流进行广泛实验测量的结果，说明由尖端放电向地面输送的负电量大于正电量，两者之比各地不同，约为1.5～2.9。尖端放电向地球输送的负电量最大，全球尖端放电电流总量约为2000安。

从全球平均而言，以上四种电流使大气维持电平衡。但是，除晴天地空电流外,由于测站很少,各地电流的变化又较大，要精确估计其他电流的数值都比较困难。尽管一些陆地测站测得的四种电流不能平衡，往往使陆地上净得负电量，但考虑海洋上空尖端放电要小得多，这一区域有可能使地球净得正电量，从而达到全球的电平衡。对上述四种过程所输送的电流总量的估计，还是初步的，待资料更全面时，才可能作出更接近实际的估计。上述事实说明全球大气的电平衡是由雷暴活动维持的，雷暴时的闪电放电和尖端放电造成由地面流向电离层的、与晴天地空电流相当的补偿电流。因此，雷暴是大气电的源，而晴天地空电流是大气电的汇。2

扰动天气电学研究云雨等扰动天气，特别是伴随雷暴发生的电学现象及其活动过程，这种活动在大气电学中占有重要地位，它们是全球大气电平衡中的原动力，同云雾降水过程密切相关。扰动天气电学的内容主要包括：

1、云中起电

研究云中电荷的生成、分离和形成一定分布的过程。通过大量观测，已对各种云系中电结构有了一定了解，提出了一些起电理论，但都未臻完善。2

雷雨云中电荷分布模式最先为雷雨云的电偶极子模式：雷雨云上部为中心高度 6公里、半径2公里、含正电24库的区域，下部为中心高度3公里、半径 1公里、含负电20库的区域，云底附近有一个中心高度1.5公里、半径0.5公里、含正电 4库的区域（往往称为正电荷中心）。这是从雷雨云电场探空仪（G.C.辛普森在20世纪30～40年代利用尖端放电原理制成的）的数十次探测结果归纳出来的。随着探测技术的改进和观测资料的积累，对上述电偶极子模式提出不少修正，如各电荷中心的电量和所在高度均有改变。观测还发现，电偶极子的轴常会倾斜，某些雷雨云中电荷中心的分布还会反转过来，但在尚无更合理的模式之前，仍用电偶极子模式来代表雷雨云中的电荷分布。

根据观测结果，雷雨云中的电除上述电偶极子分布外，还有下列特征：①单个雷暴的降水和电活动时间为30～40分钟。②云厚至少为3～4公里才能产生强起电和闪电；发展很高的雷雨云，闪电频数要高得多；云中有冰存在的区域内能产生强起电和闪电，但无冰存在的云内偶尔也能产生强起电。③强对流活动和降水两者是产生闪电的重要条件，但降水小于3毫米/时的云也能产生闪电。④雷雨云中产生闪电的平均率为每分钟数次，要求的起电电流为1安，每次闪电放电大约产生100库·公里的电矩变化，相应的电荷输送量为数十库。⑤云中电场强度平均在(2～5)×104伏/米之间，但强起电过程能产生的云中电场强度大于 4×105伏/米，空间电荷大于2×10-8库/米3。

2、雷电物理学

研究自然闪电和雷的物理特性、形成机制和发展规律，这是大气电学中研究得最多且最集中的课题，对闪电产生的高温、高压、高亮度、高功率、强辐射等效应的研究，同气体放电物理、等离子体物理、高速摄影、光谱学、电磁波辐射和传播、激震波以及声波等方面的研究密切相关。2

（1）闪电（lightning）

大气中发生的火花放电现象。通常在雷雨云情况下出现，但在雨层云、雪暴、尘暴和火山爆发时也会偶尔出现。闪电按发生的部位可分为云内放电、云际放电和云地放电三种,前两种统称为云闪,第三种称为地闪。自然界中大部分闪电为云闪。 地闪与闪电总数的比值为1/3～1/6(温带地区的比值高于热带地区)。由于地闪对人类活动和生命安全有较大威胁，故研究比较多。

闪电现象和它对人类活动的影响，早已引起人们的注意。中国早在公元前14世纪的殷代甲骨文中，就已有关于雷电的记载(见大气科学发展简史)。后在西汉刘安等著的《淮南子》中,提出“阴阳相薄为雷,激扬为电”的思想。东汉王充在《论衡》一书中指出：“雷者，太阳之激气也。”他还总结了雷电活动的季节性：“正月始雷”、“五月雷迅”、“秋冬雷潜”。到18世纪,为揭示闪电的性质,许多科学家进行了探测实验。如美国学者B.富兰克林在1750年曾提出，用装在高塔上的避雷针,由云中引电进行测量的设想。1752年6月他冒着雷击的危险，在费城进行了著名的风筝探测雷电的实验，观测到了通过风筝引线由雷雨云产生的电火花，证实了自然闪电和摩擦产生的电本质的一致性。同一时期，苏联学者Μ.Β.罗蒙诺索夫和Γ.Β.里赫曼用自制测雷器探测到了雷暴过境所引起的电火花，不幸的是里赫曼为闪电击毙。自此以后，开始了关于闪电在电学基础上的近代研究。

（2）雷电定位（atmospherics location）

根据天电确定闪电（因而雷暴）所在地理位置的方法和技术。主要分为多站定位和单站定位两类。雷电定位对于天气预报、森林防火、航空、火箭及导弹的遥控等方面都有重要意义。

多站定位

利用两个或多个相隔一定距离的定位站同时观测同一闪电产生的天电信号，确定闪电所在位置。定位的方法有两种：①交叉环阴极射线测向法。从20世纪30年代以来已被广泛应用。每站装备一台定向仪，由两个相同的垂直框形天线分别按东西、南北方向放置，接收来自闪电的垂直极化的天电磁场信号，并用一鞭状天线接收电场信号以消除方位反向的不确定性。通过示波器或数据处理装置测定闪电的来向。各站所定方位的交叉点就是闪电的地理位置。该方法的误差在于：闪电通道常常不是对地严格铅直，而具有一定的水平辐射成分，在传播过程中还会产生极化方向的交叉干扰，而定向仪接收天线做不到绝对不接收水平分量，这种干扰容易引起误差。误差大小随所选用接收频段而异，一般为5°～30°。利用门限技术,只接收起始天电脉冲可以减小定向误差。此外，接收站所处地形和装置本身也会引起误差。②测量同一闪电的起始信号到达各测站的时差来确定闪电位置。此法可以避免交叉环阴极射线测向法所存在的误差，但对各测站的定时要求需小于10微秒，比测向法所要求的10毫秒同时性高得多,花费也大。在200公里以内的近距定位中，采用甚高频波段时差法曾获得成功。

单站定位

从一站同时确定闪电的方向和距离。方向一般采用交叉环阴极射线测向法测定。定距方法还不成熟。已提出的几种方案，从原理上看，都是利用电磁波传播中不同频率成分所受影响不同来测定距离的。大致有如下三种方案：①由于不同频率电磁波在大气中的衰减不同，测量几个不同频率（一般在甚低频段）的天电信号的振幅，由它们之间的比值来定距；②由于天电波形中的甚低频（3～30千赫）和极低频（0.3～3千赫）两种成分在大气中的传播速度不同，极低频成分的传播速度低于甚低频成分，离天电源越远，两种成分到达的时差越大，测量这个时差就可以定距离；③利用闪电辐射中某频率成分（极低频段）的电场和磁场分量在传播过程中受电离层和地磁场的不同影响，例如随着距离增加，二者的相位差逐步增大，测量这种相位差即可定距。这三种方案虽然都有过一些初步试验，但由于传播中所涉及的因子比较复杂,验证起来也比较困难,都没有完全成功。从发展看，结合这几种原理的综合定距法最有前途。测定雷暴位置时，还可以对上述振幅谱资料和频散资料作统计处理，以期得到较好的雷暴定位结果。由于单站定位只需要单点和一套设备，不需要多站指挥、通信和时间同步系统，所以是研究的重点。

3、人工抑制雷电 （lightning suppression）

设法抑制或削弱云中的雷电活动，以消除或减弱其危害的试验研究。在全球范围内，每瞬间大约有2000个雷暴活动，平均每秒产生 100次以上闪电。闪电有时会击毙人畜，毁坏建筑物，引起森林火灾，威胁航空和航天的安全，因而引起人们的重视。2

人工抑制雷电的试验，开始于 20世纪 60年代初期。试验的方法主要有三种：①在积雨云内播撒大量成冰催化剂（见播云催化剂）。1965～1967年，美国对26块风暴云的试验结果表明,催化后比不催化的放电次数少,并且闪电持续的时间也短。有一种假说认为：播撒成冰催化剂（如碘化银）之后，云中产生大量的冰晶，使过冷水蒸发，从而减弱云中的起电过程(见雷雨云起电)。②在积雨云内播撒大量细小的金属针。通过金属针的电晕放电,使雷暴电荷的损耗加快,减弱电场强度，从而削弱或消除雷电。美国在1972～1973年播撒直径25微米、长10厘米的镀铝尼龙丝，使电场强度为 35千伏/米的云中产生电晕放电，从而使电场强度减弱到产生闪电所需要的强度（约300千伏/米）以下。试验表明：播撒镀铝尼龙丝之后，云的闪电次数较快的趋向于零，而不播撒的云则没有这种现象。③人工触发闪电。将火箭等发射到积雨云中，使云和火箭之间形成闪击，以减少雷电对保护目标的威胁。总之，人工抑制雷电的试验次数还不多，效果也不很显著，仍处在探索阶段。

应用根据雷电的各种特征，尤其是电磁辐射特征，已提出各种雷电探测和定位的方法（见雷电定位）。从60年代以来，人工消除或诱发闪电的方法，已取得了一些结果（见人工抑制雷电）。随着人类活动领域的扩大，大气电学的研究已愈来愈与空间电学密切结合在一起。

推动因素人们对大气中的许多物理现象，如虹、晕、华、雷、闪电等早已注意，并进行过研究，但内容分散在物理、化学、天文、无线电等学科之中。20世纪40年代以来，有几个重要因素推动迅速发展：

① 随着人类在大气中活动范围的迅速扩展，大气物理学的研究领域不断扩大。如为了改进大气中的电波通信、光波通信、提高导弹制导水平，就需要了解它们所赖以传播的大气介质及相互作用，因此就要研究大气的声、光、电和无线电气象；又如，为避免晴空湍流引起飞机堕毁的事故，就要研究大气湍流。

② 由工业生产排入大气中的大量气溶胶和污染物通过扩散造成大气污染，有些通过沉降或降水形成酸雨等，又被送到地面，导致土地河流污染、造成对植物和人类的严重影响。既要发展生产，又必须使大气不超过其对污染物质的稀释能力，这就要详细研究大气边界层的物理特性。

③ 生产活动和人类的其他活动，影响着自然环境。如大气中二氧化碳含量逐年增加，影响着大气辐射过程和气候变化规律。这些又影响农业生产，特别是粮食生产。粮食问题导致对气候变化的关注，进而促进了对大气辐射问题的研究。

④ 工农业用水逐年增加，就必须充分利用大气中丰富的水分，这就要开发大气中的水资源；此外，为避免或减轻天气灾害，又推动着人工影响天气试验研究的广泛开展，从而促进了云和降水物理学的研究。

⑤ 60年代以来，遥感技术飞速地发展起来，辐射传输是遥感的基础，由此推动着大气辐射学的研究；人造卫星、电子计算机的发展，新技术（如激光、雷达、微波）的应用，给研究提供了有力的探测工具，获得了更多的探测资料，从而大大加速进程。

相关学科大气科学、气候学、物候学、古气候学、年轮气候学、大气化学、动力气象学、大气物理学、大气边界层物理、云和降水物理学、云和降水微物理学、云动力学、雷达气象学、无线电气象学、大气辐射学、大气光学、大气电学、平流层大气物理学、大气声学、天气学、热带气象学、极地气象学、卫星气象学、生物气象学、农业气象学、森林气象学、医疗气象学、水文气象学、建筑气象学、航海气象学、航空气象学、军事气象学、空气污染气象学。

开设院校开设大气电学专业的一本大学有：南京信息工程大学，兰州大学，二本大学有成都信息工程学院，三本有南京信息工程大学滨江学院，一些专科也有该专业，但偏向于雷电防护。有些学校把这个专业称作雷电防护科学与技术。其中南京信息工程大学有大气电学专业的硕士点和博士点。