大气电学

大气电学家汪德昭院士

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。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。

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。

大气电学主要由晴天电学和扰动天气电学两部分构成。

闪电是一种大气电学现象

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。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。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。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（）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。

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。

壮观的雷雨云

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。 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。

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）。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。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。

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。

大科普网 http://www.ikepu.com/geography/atmospheric/branch/atmospheric_electricity_total.htm

泽泽网 http://www.zzgwu.com/wiki/index.php?doc-view-306431