大气雷电防护_ 晴天大气电学.ppt

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1、2.2晴天大气电学袁铁1.大气气体成分和气溶胶2.大气电离源和电离率3.大气离子的形成过程4.大气离子的时空分布5.晴天大气电场大气中存在大量的尺度和质量不等的荷电粒子。大气中的离子是大气中最主要的带电粒子，大气中的电场和电流与大气中离子的活动规律有密切的关系。大气离子的存在使得大气本身具有一定的弱导电性，同时地球表面也同样携带一定量的负电荷，大气中的离子在电场力的作用下形成大气电流，从而在大气与地表之间时刻都存在电流的流动和电荷的中和。大气离子也是大气中的重要物理现象，所以了解大气离子的基本特征和特性是大气电

2、学的基础。本部分主要介绍大气离子的形成、离子的类型、离子的活动、生命和随时空的变化与气象条件的关系。大气的离子的结构和类型与大气的成分相关。大气结构示意图按温度随高度的变化可分为对流层、平流层、中间层、热层和外大气层按大气组成可分为两层：均质层（100km以下）、非均质层按电磁特性可分为中性层、电离层和磁层1.大气气体成分和气溶胶大气中的气体分子重量轻，它所带电构成的离子称之为轻离子。如氮气、氧气、二氧化破、氖、氨。2、大气电离源和电离率一、大气电离源：（1）地壳中放射性物质辐射的射线（2）大气中放射性物质辐射

3、的射线（3）来自地球外空的宇宙射线的作用（4）太阳辐射中波长小于1000A的紫外线、闪电、火山爆发、森林火灾土暴和雪暴等（5）局部范围还有人工产生的，如火箭、飞机、工厂产生的离子。电离率各种电离源产生的大气电离率随高度的分布陆地和海洋上空大气电离率随高度的分布电离率地壳中的放射线对大气电离主要局限于离地面1km高度的大气层中大气中的放射线对大气电离主要局限于离地面5km高度的大气层中宇宙射线的电离率随高度迅速增大，在0～0.5km高度范围内，占25%，在1～2km高度范围内，增加至82%左右；到5～6km高度处

4、，大气的电离率已主要是由宇宙射线所引起。除了在近地面层不同外，中上部大气的电离率基本一致，主要受宇宙射线的控制。大约在10～15km高度处大气电离率达极大值，接着随高度增加而下降3.大气离子的形成过程小离子的平均浓度，海上比陆地大；陆地上小离子的较大产生率更多地为大核的高捕获率所抵消。正负离子浓度相差不大，而代表正空间电荷的正离子又少量的过剩，正负离子的浓度之比为1.2。电离过程1.正离子和电子的形成原理大气中的正离子的形成大气中负离子的形成大气离子迁移率和大气离子方程4.大气离子的时空分布大气离子海陆差异大气

5、离子浓度随高度的差异大气离子的日变化5、晴天大气电场大气电场与地球磁场一样，无处都在！问：为什么不容易感受到大气电场的存在？1、大气电场较弱2、居室与地球等电势问：人为什么不触电丧命？为什么用万用表测不出？观测表明，晴天大气中始终存在方向垂直向下的大气电场，这意味着大气相对于大地带有正电荷，而大地带的是负电荷。大气与大地带异性电荷是大气电场形成的原因。同时大气中又存在有晴天大气传导电流，不断中和大气和大地所带的电荷，使大气电场不断减弱。有云时，云中大气电过程所产生的带电降水形成降水电流，也不断中和大气和大地所带

6、的电荷。那么，是什么原因维持恒定的大气电过程，其原因是大气中存在有雷暴电过程，当有雷暴时，云地闪电及云下方地物和植物的尖端放电过程，将增加大气和大地所带的异性电荷。当大气中的带电过程和电荷中和过程达到平衡时，形成恒定的晴天大气电场。大气电场的描述电场强度电位晴天大气电场的电力线用电力线来表征静电场，将电场中电位相同地点的几何曲面称为等位面，发现：电力线与等值面相交处，总是互相垂直。电场强度或电势都可描述整个大气电场的持征大气电场的特征1、地面大气电场强度恒垂直地面，地面有起伏，空中有导体物时，平行的平面等势面就

7、发生弯曲2、晴天大气电场是从高空指向地面3、大气电场的电场强度数值由地面向上逐渐减小晴天大气电场的等势面大气电场强度E值与高度的关系大气电场的测量虽说E和v两个量都可以描述大气电场，实际上测定各地各种高度的大气电场却只能测E，这是因为：1、电势值本身与选取参考标准有关，实际上只能测电势差。2、若要测任意高空的电势与大地电势之差，则仪器要有另一测量端与大地相接触，这既有困难而且在测量原理上也有大问题。3、大气电场强度的测量容易实现一块平面带电板附近的电场强度数值与板上的电荷面密度成比例，即k是常系数，σ为电荷面密

8、度。若以一块接地金属板屏蔽它，σ就变为0了。因此不断移动这块屏蔽板，就可以使带电板交替地充放电，即产生一个交流电，其数值与E成比例，由此可以测出E值。电场仪的基本原理各高度的E值测出来之后，就可以用下列关系求出任何高度处的电势值：已有的专利产品测量范围：±50KV/m分辨率：10V/m响应时间：0.1s图6.3利用PDC—1型大气平均电场仪实测的一次北京雷暴系统的电场演化，正极性电场对