大气电学(ppt文档).ppt
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1、大气物理II1.大气电学2.大气光学3.大气声学大气电学、晴天大气电场n晴天大气电场强度:在陆地上,平均为120V/m;在海洋上,平均为130V/m。一般说来,污染严重的工业区其数值高(如英国的Kew城,平均值为363V/m);而清洁的乡村,其值低(如我国的新疆伊宁平均值为36V/m)n晴空大气电场随高度是变化的。由许多经验公式,如:n 此外还有日本人的经验公式()n晴天电场的日变化:n电场强度与小离子的浓度与迁移率有关,工业污染严重的地区大气气溶胶农度大,气溶胶捕获小离子,使其浓度减小,因而污染严重地区的电场强度大n晴天电场强度还与全球的雷暴活动有关,雷暴最活跃的时间,也是电场强度最强的时间
2、。雷暴云的电特性及其结构n 雷暴是低层大气中电磁能的主要源,并且被认为它驱动着全球电流系统n测量云和它周围的电场表明,大部分雷暴云很像一个巨大的偶极子。在它的一20高度以上的顶部区集聚着大约40库仑的正电荷量。在云的一20 和0 高度之间的中心部分,也具有相同量级的负电荷量。在0层高度以下,有时观测到量吸为10库仑的小的正电荷区(下图)。人们经常观到,在明显的电扰动之前,一块正在发展的云下,就有降水出现。在云下的测定表明,云的最初起电,通常与晴天电场极性相反。当这个电场约超过2千伏/米时,在突出直立目标物的上方,将产生强电场。这种直立目标的曲率半径很小,诸如树枝,丛林灌木,或人造物体如竿形天线
3、。强电场到了使尖端放电的程度,正电荷离子释放到空气里这样。这时,到达地面的小雨常携带着从尖端放电的,正离子电荷。大约10分钟之后,云中的场强可达到400千伏米,同时,云下面的地面场强增加到5干伏米的量级。这时,云中发生闪击和闪光。然而,许多云虽然发展到降水和强电场,但达不到闪电阶段。在放电的同时,地表面电场逐渐恢复到晴天电场极性,因为闪电已使上方的负电荷突然消去.3 雷电云内电荷分离机制n虽然有一些关于电荷分离的理论,但尚无一个理论被首遍接受(例如Mason,1970;Magono,1980)。这些理论大多以两个基本概念之一为基础:感应过程或是非感应过程或是非感应过程或是非感应过程或是非感应过
4、程感应过程感应过程感应过程,二者都把降雨设想为动力机制降雨设想为动力机制降雨设想为动力机制降雨设想为动力机制。n(1)感应起电:n在感应过程中,外部电场引起雨滴或冰粒的电极化,极化强度取决于所涉及粒子的介电常数。与这些较大颗粒相碰撞的小冰晶或小水滴可以获得正电荷随上升气流而向上运动。带负电荷的雨滴或冰粒由于具有较大的重量而下降,并加强原来的电场(即晴空电场)。n大、小粒子之间电荷交换的数量随电场的增强而增加,该效应由正反馈维持,正反馈使原电场增强,直至增强到Qmax的电荷极限值,并伴有闪电,或者重力被电力所抵消,才使大颗粒子停止下降。n但是,实验室的实验表明,感应过程只有当10千伏米量级或更高
5、些的相对强电场已经存在时才显著。自然状况下,是很难有这样强的电场强度。因此,下面介绍的非感应过程是重要的。n(2)非感应起电:非感应起电包括:a)冻结与融化起电、b)冰-冰碰撞起电、c)结淞起电、d)对流起电等a)冻结与融化起电:Workman 与 Reynolds首先注意到:水或稀溶液冻结时在冰-水界面两侧产生电位差.例如:当蒸馏水冻结时,在冰的一侧出现约-60V的电位,一般说来,相对于液相来说,冰相的电位为负电位.但铵盐溶液是例外,其冻结时,冰的电位为正.Workman 与Reynolds根据这一理论来解释雷暴起电现象.他们认为:当过冷云滴碰撞到霰粒子时,只有部分云滴在霰粒子的表面冻结.另
6、一部分仍然保持液态水状态,并随着上升气流离开霰粒子.这部分水滴带着正电荷,随着上升气流到达云的上部.这一理论仍受到许多质疑.b)冰-冰碰撞起电:如果两片初始温度不同的冰晶被带到一起,而后又被分开,则温度较高的冰晶获得负电荷而温度较低的冰晶获得等量的正电荷。这是因为较活跃的带有正电荷的氢离子向温度低的方向扩散,而较稳定的OH-l离子过多地保留在温度高的区域。由于冰晶和霰粒常在云起电的情况下出现,又因过冷水滴在冻结过程中潜热的作用,使得冰晶与霰粒子产生温差,从而有利于进行温差充电.(如下图)C)结淞起电实验如图:n过冷却云滴与模拟雹相碰而发生冻结时,过冷云滴一部分在雹表面冻结,另一部分破碎离开雹表
7、面.在撞击时雹与云滴有温度差,与前面的冰-冰碰撞一样,破碎的云滴带正电荷。模拟雹带负电.n实验的测量表明:当气温为-15时,104个半径为40m的云滴以10m/s的流速与模拟雹碰撞后,10秒内产生410-2静电单位电荷;产生电荷的状况还与云滴大小、云滴速度有关。当云滴半径小于15m基本不能产生破碎云滴,因而难以产生电荷;当云滴半径大于40m时,云滴在碰撞瞬间,还未冻结可能已经破碎,故亦不能有效产生电荷;环境温度在-6-17对产生电荷最为有效,温度过高,冻结过程缓慢,冻滴难以破碎;温度过低,冻滴破碎迅速,破碎云滴未能与模拟雹有足够的时间接触。d)对流起电:发生电荷分离和积累的雷雨云中有强的对流运
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