第二章、帶電粒子

第二章、帶電粒子第1頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三問題提出：閃電中電荷從何而來？

電荷源—大氣中尺度、質(zhì)量不等的各種荷電粒子，主要是大氣離子大氣中的電場(chǎng)、電流和云中強(qiáng)電場(chǎng)的形成和雷電過程都與大氣中離子活動(dòng)密切相關(guān)了解大氣離子的基本特征和特性是大氣電學(xué)的基礎(chǔ)大氣離子的結(jié)構(gòu)和類型又與大氣成分相關(guān)第2頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三§1.大氣氣體成分和氣溶膠大氣中荷電基本載體：氣體分子和氣溶膠一、大氣粒子的尺度（1）10-8cm原子或分子，獲取或失去電子（2）10-6cm代表一種更穩(wěn)定和永久的尺度?？赡芡Ａ粢恍r(shí)間，凝聚也不快（3）10-5cm氣溶膠尺度，幾乎不受布朗運(yùn)動(dòng)和重力影響（4）10-4cm大氣氣溶膠粒子，特大粒子的極小端（5）10-3cm近似云滴，幾分鐘內(nèi)在重力作用下消失第3頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（6）10-2cm毛毛雨，極少，在塵暴激烈事件中出現(xiàn)（7）10-1cm雨滴，每年約4×1022個(gè)（8）1cm雨滴半徑大于0.5cm下降時(shí)會(huì)破碎因此此類雨滴很少，但冰雹、雪團(tuán)會(huì)有這一尺度（9）10cm特大冰雹第4頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第5頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、大氣粒子尺度譜尺度譜n(r)定義：粒子數(shù)n隨粒子半徑r的變化對(duì)于球形粒子，半徑r—r+dr間隔內(nèi)，單位體積的粒子可用n(r)dr表示類似正態(tài)的粒子分布可用修正的伽瑪函數(shù)表示N0—單位體積內(nèi)所有大小粒子的總數(shù)?！琴が敽瘮?shù)rn—表征分布的一種半徑α—分布的方差第6頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三正態(tài)的粒子分布最小粒子最大粒子第7頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、大氣氣體成分氣體容積含量％氣體容積含量％氣體容積含量％氮（N2）78.084氫（H2）5.0×10–5沼氣（CH4）1.8×10–4氧（O2）20.947氙（Xe）8.7×10–6一氧化碳（CO）6.0×10–6

—

1.0×10–5氬（Ar）0.934氡（Rn）微量二氧化硫（SO2）1.0×10–4氖（Ne）1.82×10–3水（H2O）0.1—4.0氧化二氮

（N2O）2.7×10–5氦（He）5.24×10–4二氧化碳（CO2）0.032一氧化氮

（NO）微量氪（Kr）1.14×10–4臭氧（O3）1.0×10–6

1.0×10–5二氧化氮

（NO2）微量第8頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三四、大氣氣溶膠

大氣中氣溶膠指懸浮在大氣中的各種固態(tài)和液態(tài)微粒，能在空氣中滯留至少幾個(gè)小時(shí)。如塵埃、海鹽、云霧和降水粒子等，但是習(xí)慣上，大氣氣溶膠不包括云霧粒子和降水粒子。

氣溶膠的作用：

對(duì)太陽(yáng)輻射和大氣輻射以及地氣輻射、大氣化學(xué)都有重要影響，對(duì)云霧和降水的形成等有重要作用氣溶膠對(duì)大氣中的電過程也起重要作用。尺度：10–3—102um第9頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第10頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三氣溶膠的來源：自然界產(chǎn)生的氣溶膠是由于風(fēng)力及其他自然的（火山爆發(fā)的噴射物、森林大火產(chǎn)生的煙塵）或人為的力使存在于地面的粒子離開地面進(jìn)入大氣，或者是由于浸蝕、分解、風(fēng)化、碎浪、泡沫等使碎屑離開固體表面進(jìn)入大氣第11頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三氣溶膠主要集中于5km高度以下的對(duì)流層大氣中，特別是2~3km氣溶膠濃度從地面隨高度呈指數(shù)遞減其中是地面處氣溶膠濃度，是高度處氣溶膠濃度，為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)第12頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三氣溶膠濃度的日變化氣溶膠濃度具有明顯的日變化，其變化規(guī)律各地差異很大一般陸地氣溶膠濃度的日變化較海上大，晴天的日變化較陰天大。氣溶膠濃度日變化具有雙峰、雙谷的形式

第一峰值出現(xiàn)于早晨8時(shí)左右第二峰值出現(xiàn)于20時(shí)左右第一谷值出現(xiàn)于4時(shí)左右此時(shí)大氣較為穩(wěn)定第二谷值出現(xiàn)于16時(shí)左右

第13頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三在18世紀(jì)時(shí)，已有些學(xué)者發(fā)現(xiàn)大氣并非絕緣介質(zhì)，萊頓瓶的發(fā)明的起因就是因?yàn)楹芏嘌芯侩姮F(xiàn)象的學(xué)者發(fā)覺絕緣良好的帶電物上的電荷會(huì)在幾十分鐘后消失殆盡。長(zhǎng)期考察之后，才知大氣里總是含有大量氣體正、負(fù)離子，使大氣具有微弱導(dǎo)電性。這些帶電粒子是如何產(chǎn)生的？其運(yùn)動(dòng)有何規(guī)律？這些都是與閃電的特性和防雷有緊密關(guān)系§2.2大氣電離源和電離率第14頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三大氣中的離子主要來源于大氣中存在的電離過程，而引起大氣電離的電離源有四種：地殼中放射性物質(zhì)發(fā)出的放射線；大氣中放射性物質(zhì)發(fā)生的放射線；地球之外的宇宙射線（如太陽(yáng)輻射中波長(zhǎng)小于1000?左右的紫外線，但它主要存在于高層大氣，在對(duì)流層中部很重要）大氣中的閃電、火山爆發(fā)、森林大火、塵暴、雪暴等，也使大氣電離。前三種是主要的電離源第15頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一、電離率

描述電離源對(duì)大氣電離的能力定義：在單位體積和單位時(shí)間內(nèi)大氣分子被電離源電離為正負(fù)離子對(duì)的數(shù)目，單位：離子對(duì)/㎝3·s或㎝-3·s-1。大氣的電離率取決于電離源的強(qiáng)度和大氣的密度。第16頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、電離源1、地殼中的放射性物質(zhì)發(fā)出的射線

2、大氣中的電離源3、宇宙射線對(duì)大氣的電離

第17頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三電離源——地殼放射物質(zhì)發(fā)出的射線α，β，γ射線第18頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三αβγ鈾元素衰變，放出α粒子。由兩個(gè)質(zhì)子兩個(gè)中子組成，與氦原子核相同碳14衰變放出β粒子，即現(xiàn)在已知的電子原子核多出的能量以γ射線放出。波長(zhǎng)非常短的電磁波，也就是能量非常強(qiáng)的光子第19頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三地殼中的放射性物質(zhì)發(fā)出的射線地殼中含有鐳、鈾、和釷等放射性物質(zhì)，這些物質(zhì)不斷的發(fā)射α、β和γ射線。α射線有強(qiáng)的電離能力，但是貫穿能力差，所以他很少能到達(dá)離地面十幾厘米高度以上的大氣中，它對(duì)大氣的電離可以忽略β射線的電離能力弱于α射線，但它的貫穿能力比α射線強(qiáng)，在地面處產(chǎn)生的大氣電離率為0.3對(duì)㎝-3·s-1。γ射線是光子流，它的電離能力最差，但是其貫穿本領(lǐng)最大，地面處產(chǎn)生的電離率為3.2對(duì)㎝-3·s-1，約占地殼中各射線對(duì)大氣電離率總貢獻(xiàn)的91%，所以是地殼中各射線中主要電離源。第20頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三地殼中放射性物質(zhì)發(fā)出的各種射線強(qiáng)度在穿過大氣時(shí)隨高度迅速減小，對(duì)大氣的電離率也隨之迅速減小。在0.5km高度地殼放射線對(duì)大氣的電離率為地面值的2%，到1km高度則迅速減小為地面的0.1%左右，所以地殼中的放射線對(duì)大氣的電離主要局限于離地面1km的高度第21頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三地殼中的鈾衰變成鐳，再衰變成氡，氡進(jìn)入大氣工業(yè)排放的放射性污染物質(zhì)核爆炸電離源——大氣中的放射物質(zhì)第22頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三大氣中的電離源來源：大氣中含有氡等微量放射性物質(zhì)，它們主要來自由于地殼中的放射性物質(zhì)，以及工業(yè)排放的放射性污染物質(zhì)，這些物質(zhì)借助大氣中的上升氣流和湍流，擴(kuò)散到離地約4~5km高度的大氣中。大氣中的放射性物質(zhì)發(fā)射的α、β和γ射線與地殼中所放射的射線的電離率不同，如大氣中α射線在近地面處的電離率達(dá)到4.4㎝-3·s-1，γ射線的電離率達(dá)到0.15㎝-3·s-1，而β射線的電離率僅為0.03㎝-3·s-1。大氣中α射線在地面處的電離率達(dá)到大氣中各種電離源對(duì)大氣電離總貢獻(xiàn)的96%。因此α射線是大氣中放射物質(zhì)發(fā)射的射線的主要電離源。

第23頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

1m高度以下的貼地層大氣中各種電離源產(chǎn)生大氣電

離率隨高度的分布第24頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三對(duì)流層低層大氣電離率隨高的變化海洋上空大氣中放射物質(zhì)比陸地上少得多，在海洋上的放射率比地殼內(nèi)小幾個(gè)量級(jí)，因此作為電離源重要性較小第25頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三電離源——宇宙射線宇宙射線指來自于宇宙的一種具有相當(dāng)大能量的帶電粒子流主要有質(zhì)子、氦核、鐵核等裸原子核組成的高能粒子流，也含有中性的γ射線和能穿越地球的中微子流第26頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三宇宙射線對(duì)大氣的電離

宇宙射線通過大氣時(shí)受地磁場(chǎng)的作用向兩極偏轉(zhuǎn)，所以宇宙射線隨緯度增加而增大，同時(shí)其電離率也隨緯度而變化。如在赤道海平面處大氣的電離率為1.5㎝-3·s-1；在緯度40°~45°處，電離率增大為1.9㎝-3·s-1。第27頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

宇宙射線的電離率隨高度迅速增大在0~0.5km高度范圍內(nèi)，宇宙射線的電離率占大氣總電離率的25%，在1~2km高度范圍內(nèi)，電離率升至82%；在3~4km高度范圍內(nèi)，電離率升至97%；到5~6km高度處，大氣的電離率已主要是宇宙射線所引起的。但是由于大氣密度隨高度減小，所以宇宙射線的電離率并非隨高度單調(diào)上升，大約在10~15km高度處大氣電離率達(dá)極大值，接著隨高的增加而下降。第28頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三對(duì)流層到平流層下層緯度分別為

13°N和41°N時(shí)大氣電離率隨高度變化第29頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三太陽(yáng)黑子對(duì)電離率的影響第30頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三不同高度晴天大氣電離率的高度變化第31頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三地面大氣電離率的日變化第32頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三§2.3大氣離子的組成

一、大氣中離子的組成大氣中的離子主要分為兩類：

1、帶正負(fù)號(hào)電荷的小離子，或稱輕離子，其半徑約10-8~10-7cm，它常由幾個(gè)電離分子與中性分子聚合而成。

2、大離子，或稱重離子，它是由各種大小不同的帶電氣溶膠粒子所組成，根據(jù)粒子尺度，重離子有分為L(zhǎng)angevin離子、大離子或超大離子第33頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三大氣離子的分類，以及各類大氣離子所對(duì)應(yīng)的大氣離子遷移率(大致對(duì)應(yīng)大氣離子半徑)的變化范圍，均列于下表.第34頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三§2.4大氣離子遷移率和大氣離子方程一、大氣離子物理量

表征大氣粒子物理特征的物理量有三個(gè)：1、大氣粒子的電荷

大氣中的離子一般只帶一個(gè)電荷，其大小為1.602×10-19C，只有較大的離子才帶一個(gè)以上電荷。2、大氣離子的半徑

大氣離子半徑指其有效半徑，其變化范圍從10-8～10-5㎝3、大氣離子遷移率

大氣離子的遷移率表示大氣離子在大氣中的運(yùn)動(dòng)特征

原因有兩種：

a.由于機(jī)械力使其運(yùn)動(dòng)，此原因造成的遷移率稱機(jī)械遷移率

b.電場(chǎng)對(duì)離子作用產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)，稱之為電遷移率第35頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三離子的機(jī)械遷移率與擴(kuò)散系數(shù)可用愛因斯坦關(guān)系式表示

式中D是擴(kuò)散系數(shù)，T是溫度，B是機(jī)械遷移率，是波爾茲曼常數(shù)。a.

機(jī)械遷移率第36頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三b.

電遷移率

當(dāng)大氣離子處在大氣電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，它將受到兩種力的作用：一、靜電力；二、大氣介質(zhì)對(duì)粒子的阻力。如果兩種力相等時(shí)，它便做等速運(yùn)動(dòng)。若大氣場(chǎng)強(qiáng)為E，大氣離子作等速運(yùn)動(dòng)的速度為u，則大氣離子的速度與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系為：

式中稱作大氣離子電遷移率，或稱大氣離子的遷移率第37頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、大氣離子遷移率的計(jì)算Stoks-millikan模式：大氣離子在電場(chǎng)強(qiáng)度E的作用下，它所受的靜電力表示為F=eE

在大氣中，大氣粒子在靜電力的作用下作等速運(yùn)動(dòng)受到的阻力為

當(dāng)離子受到的阻力與靜電力平衡時(shí)，有F=-F’第38頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三上式表明，大氣粒子遷移率與大氣離子電荷、大氣離子半徑、大氣分子平均自由程、大氣粘滯系數(shù)及常數(shù)a，b，c有關(guān)由前面公式推導(dǎo)可得：大氣離子遷移率表達(dá)式第39頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三它的主要特點(diǎn)為：當(dāng)大氣條件和大氣介質(zhì)特征不變得情況下，大氣粒子的遷移率僅與大氣離子半徑有關(guān)，半徑越小，遷移率越大。輕離子比重離子的遷移率要大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。負(fù)輕離子的遷移率大于正輕離子。分子量小的離子遷移率大于分子量大的遷移率，大氣輕離子遷移率隨地點(diǎn)而異，在地面和海面處，大氣輕離子的遷移率平均值一般為1~2㎝2·V-1·S-1。大氣離子的遷移率隨高度而變，大氣離子的遷移率與粘滯系數(shù)成反比，即與大氣密度成反比，所以大氣離子遷移率隨高度迅速增加。第40頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三§2.5大氣離子的時(shí)空分布

1.大氣輕離子濃度的變化范圍約從102~103cm－3數(shù)量級(jí).陸地表面大氣正輕離子濃度的平均值為750cm－3

大氣負(fù)輕離子濃度的平均值為650cm－3

大氣正、負(fù)輕離子濃度比值大于1，平均為1：1.15海洋表面大氣輕離子濃度一般略低于陸地表面的數(shù)值大氣正輕離子濃度的平均值為600cm－3，

大氣負(fù)輕離子濃度的平均值為500cm－3

大氣正負(fù)輕離子濃度的比值平均為1.20

一、大氣離子濃度隨地點(diǎn)變化第41頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.大氣重離子大