[科普中国]-大气电导率

定义

大气电导率（atmospheric electric conductivity）是指描述大气导电能力的物理量。1大气电导率是大气电学地球空间电动力学过程的重要参数。2

通常认为地面空气是绝缘的，这是由于空气中电离度较弱，带电离子浓度低。但是在大尺度范围，空气中客观存在的电离度引起的导电性引起了大气电流，形成全球大气电回路。2

表达式微观角度从微观角度讲，大气电导率正比于大气离子浓度和离子迁移率的乘积，通常可写为1

、

式中，λ为大气电导率，λ+，λ-分别为正负极性电导率并表示一种符号离子形成的电导率，λ+，λ-统称为极性电导率；B+,B-分别为正负离子迁移率，n+（B+）或n-（B-）分别为迁移率在B+与B++dB+或B-+dB-之间的离子浓度。

宏观角度从宏观角度来说，根据欧姆定律，地面电势梯度PG、垂直电流密度Jz和大气总电导率存在以下关系2：

在更高的高度上，由于电离度增加，地磁场影响作用加重，大气电导率呈现出各向异性，为张量。根据电磁场麦克斯韦方程组可推导得出广义的欧姆定律，其中总电导率包括平行电导率、佩德森电导率和霍耳电导率。

性质空气的正、负离子，按其迁移率大小可分为大、中、小离子。由于小离子的迁移率远大于大离子，所以大气电导率主要取决于小离子。在海平面上，大气电导率的平均值约为1.8×10-4s-1。此时，一个带Q0电荷的弧力导体球，经过t = 1/4πλ的时间（约7.5分钟）之后，其上的电荷由于大气电导率的传导作用将减少到Q0/e，即为原电量的37%左右。1

大气电导率的变化和大气电场变化趋势相反，随高度增大而增大，且增加比例等于电场强度减小的比例。这是由于宇宙辐射强度随高度增大以及高空空气密度小而离子迁移率大等因子的综合作用所造成的。如图1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。

大气电导率不是确定的，存在日变化、年变化、纬度变化和一些不规则变化，还受到太阳活动、火山活动等影响。在交换层中，电导率的高度分布还受到各种气象条件的影响。2

测量研究进展Gerdien电容式电导率仪器面世已有百年之余，并随着应用处于不断发展改善的过程中：

从简单的单极性离子电导率测量发展到双极性离子电导率测量；从电压衰减数据拟合的测量技术发展到增益电压可控的主动测量技术；从单一的电导率测量到结合离子浓度的综合测量；运载工具从气球、气艇发展到飞机、探空火箭。随着材料科学的发展和电子技术的进步，电导率仪有望成为经济的大气探测工具。

大气电导率是地球空间电动力学过程的重要参数，全球大气电回路与人类活动紧密相关，大气电学研究是当前世界各航天大国面临的热点课题。中国在大气电导率的探测研究方面相关文献和数据很少，有必要尽快开展大气电导率的探测研究，增强中国在此领域的技术能力。2