《大气电场》PPT课件.ppt
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1、第三章第三章 晴天大气电场晴天大气电场 3.1 大气电场的基本概念大气电场的基本概念3.2 大气电场的空间分布大气电场的空间分布3.3 大气电场的时间变化特征大气电场的时间变化特征3.4 晴天大气电场和气象条件晴天大气电场和气象条件成都信息工程学院 佘会莲问 题 的 提 出上一章指出大气中存在带电粒子上一章指出大气中存在带电粒子 大大气电场是粒子运动的动力气电场是粒子运动的动力雷暴活动发生在大气中,晴天电场为雷雷暴活动发生在大气中,晴天电场为雷电活动的背景场电活动的背景场3.1 大气电场的基本概念大气电场的基本概念一、晴天大气电场的方向一、晴天大气电场的方向 观测表明,晴天大气中观测表明,晴天
2、大气中始终始终存在方向存在方向垂直向下垂直向下的大气电场。的大气电场。这意味着这意味着大气相对于大地带正电荷大气相对于大地带正电荷,而大地带而大地带负电荷负电荷.大气和大地携带异性电荷是晴天大气大气和大地携带异性电荷是晴天大气电场的成因电场的成因问问 题题大气电场是怎样维持相对稳定的状态?二、晴天大气电场的表示二、晴天大气电场的表示式中:V为电位或地球和z高度大气间的电位差(V)z为垂直坐标(m)。为面电荷密度(C/m2)晴天时,全球各地的晴天时,全球各地的E E0 0都具有相同的符号和量级。场都具有相同的符号和量级。场强(或电位梯度)随高度减小,强(或电位梯度)随高度减小,10km10km高
3、处降至地表高处降至地表值的值的3%3%。晴天大气电场的参数晴天大气电场的参数n n总的晴天区地表电荷量约为-5105Cn n不同高度的垂直电场强度在地表呈现极大值,就全球平均而言其值为120V/m,而在海洋上则为130V/m。大气相对于地球的电位大气相对于地球的电位n n大气相对于地球的电位大气相对于地球的电位大气相对于地球的电位大气相对于地球的电位V V,一直到,一直到,一直到,一直到20km20km左右都随高左右都随高左右都随高左右都随高度而增加,度而增加,度而增加,度而增加,往上不再有明显的变化,约为往上不再有明显的变化,约为往上不再有明显的变化,约为往上不再有明显的变化,约为31031
4、05 5V V;n n在在在在20km20km以上的大气中存在很小的电位梯度,这些高以上的大气中存在很小的电位梯度,这些高以上的大气中存在很小的电位梯度,这些高以上的大气中存在很小的电位梯度,这些高度上的空气是高度导电的,空间电荷密度随高度增加度上的空气是高度导电的,空间电荷密度随高度增加度上的空气是高度导电的,空间电荷密度随高度增加度上的空气是高度导电的,空间电荷密度随高度增加而减小。而减小。而减小。而减小。注注 意意晴天大气晴天大气电场强度电场强度(或电位梯度)总体随高度减小(或电位梯度)总体随高度减小晴天大晴天大气相对于地表的电位气相对于地表的电位,一直到,一直到20km20km左右都随
5、左右都随高度而增加高度而增加三、晴天大气等电位面三、晴天大气等电位面大气中相大气中相同大气电同大气电位各点相位各点相联而成的联而成的连续曲面连续曲面 晴天大气等电位面平行于地面,并随高度递增晴天大气等电位面平行于地面,并随高度递增高度愈低,睛天大气等电位面的电位值愈小高度愈低,睛天大气等电位面的电位值愈小高度愈高,晴天大气等电位面的电位值愈大高度愈高,晴天大气等电位面的电位值愈大(1 1)对于平坦地面)对于平坦地面 晴天大气等电位面为平行与地面的平面,晴天大气等电位面为平行与地面的平面,单位法向量单位法向量n垂直向上,晴天大气电场只存垂直向上,晴天大气电场只存在垂直分量在垂直分量Ez,水平分量
6、,水平分量Ex Ey 0。晴天大气电场的表达式可改写为标量形式的晴天大气电场的表达式可改写为标量形式的表达式表达式 大气电场和等势面与地表曲率的关系大气电场和等势面与地表曲率的关系(2 2)起伏地表)起伏地表晴天大气等电位面因地表起伏和畸变而成为晴天大气等电位面因地表起伏和畸变而成为晴天大气等电位面因地表起伏和畸变而成为晴天大气等电位面因地表起伏和畸变而成为曲面,单位法向量曲面,单位法向量曲面,单位法向量曲面,单位法向量n n亦不再与坐标轴亦不再与坐标轴亦不再与坐标轴亦不再与坐标轴z z轴重合轴重合轴重合轴重合.因此,晴天大气电场不仅存在垂直分量因此,晴天大气电场不仅存在垂直分量因此,晴天大气
7、电场不仅存在垂直分量因此,晴天大气电场不仅存在垂直分量EzEz,还存在水平分量还存在水平分量还存在水平分量还存在水平分量ExEx和和和和EyEy。若观测点离山丘、洼地等地物的距离大于其垂直尺度的若观测点离山丘、洼地等地物的距离大于其垂直尺度的五倍五倍 左右,左右,或观测点离诸如电线杆等细长地物的距离大于其垂直尺或观测点离诸如电线杆等细长地物的距离大于其垂直尺度的度的 三倍三倍 左右时,左右时,地形和地物对晴天大气等电位面畸变的影响便可忽略地形和地物对晴天大气等电位面畸变的影响便可忽略晴天大气电场的符号晴天大气电场的符号n n在静电学中,在静电学中,电场的方向从正电荷指向负电电场的方向从正电荷指
8、向负电荷荷,即为正电场,反之为负电场,即为正电场,反之为负电场n n大气电场垂直向下为正,大气电场垂直向下为正,与坐标轴与坐标轴z z方向正好方向正好相反相反大气电场的空间分布 n n一、地理分布一、地理分布 n n二、二、随高度分布随高度分布一、大气电场的地理分布n n1 1、海洋:、海洋:、海洋:、海洋:由于下垫面条件相近,所以各处晴天大气电场之由于下垫面条件相近,所以各处晴天大气电场之由于下垫面条件相近,所以各处晴天大气电场之由于下垫面条件相近,所以各处晴天大气电场之间的差异较小,而且其间的差异较小,而且其间的差异较小,而且其间的差异较小,而且其变化规律多与全球性影响变化规律多与全球性影
9、响变化规律多与全球性影响变化规律多与全球性影响机制有关。机制有关。机制有关。机制有关。就全球而言,全球表面的晴天大气电场平均值约为就全球而言,全球表面的晴天大气电场平均值约为130Vm130Vm1 1全球海面晴天大气电场的平均值也接近于全球海面晴天大气电场的平均值也接近于130Vm130Vm1 1。晴天大气电场因时因地而异,与气溶胶浓度有密切的关系n n2 2、陆陆 地:地:因局地条件差别较大,所以各处晴天大气电场之间的差异也较大对于人口密集的大城市、工业区和离气溶胶自然对于人口密集的大城市、工业区和离气溶胶自然源较近的地区等,其地面晴天大气电场往往大于源较近的地区等,其地面晴天大气电场往往大
10、于130Vm1而小城镇和离气溶胶自然源较远的乡村地区等,而小城镇和离气溶胶自然源较远的乡村地区等,其地面晴天大气电场往往小于其地面晴天大气电场往往小于130Vm1地面与海洋的晴天大气电场地面与海洋的晴天大气电场下表列举了世界各地地面睛天大气电场的平均值下表列举了世界各地地面睛天大气电场的平均值n n3 3、晴天大气电场具有、晴天大气电场具有、晴天大气电场具有、晴天大气电场具有随纬度变化随纬度变化随纬度变化随纬度变化的分布特征。的分布特征。的分布特征。的分布特征。n n大陆上大陆上大陆上大陆上由于各处局地条件的差异及其对晴天大气由于各处局地条件的差异及其对晴天大气由于各处局地条件的差异及其对晴天
11、大气由于各处局地条件的差异及其对晴天大气电场的影响较大,因此,地面晴天大气电场随纬电场的影响较大,因此,地面晴天大气电场随纬电场的影响较大,因此,地面晴天大气电场随纬电场的影响较大,因此,地面晴天大气电场随纬度的变化度的变化度的变化度的变化并不明显并不明显并不明显并不明显.n n海洋上海洋上海洋上海洋上因各处的局地条件相近,所以海面上晴天因各处的局地条件相近,所以海面上晴天因各处的局地条件相近,所以海面上晴天因各处的局地条件相近,所以海面上晴天大气电场随纬度的变化规律大气电场随纬度的变化规律大气电场随纬度的变化规律大气电场随纬度的变化规律较为明显较为明显较为明显较为明显 020的海面晴天大气约
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