雷电原理 第三章 晴天大气电场.pdf

陈渭民编著 第三章 晴天大气电场 §3.1 大气电场的基本概念 3.1.1 晴天大气电场的方向 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。大气和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。当 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。 3.1.2 晴天大气电场的表示 大气电场强度用 E 表示，它与大气电位的关系为 E (x, y, z)= V (x, y, z) （3.1 ） 从（3.1 ）式可以看出，大气中一点(x, y, z)处的电场与该点处的电位梯度相等, 方向与电位的 梯度方向(指向高电位)相反。 在直角坐标 x, y, z 中，大气电场的分量形式为 E (x , y , z ) = E x (x, y, z )i E y (x, y, z )j E z (x,y, z)k （3.2 ） 式中 i、j 、k 分别为 x 、y 、z 轴的单位矢量，Ex (x, y, z ) 、Ey (x,y, z ) 、Ez (x,y, z) 分别是大 气电场在 x 、y 、z 方向上的分量。 同理，由电位表示的分量形式为 V V V E (x , y , z ) =  i  j  k （3.3 ） x y z 大气电场的单位为 V /m 。 3.1.3 晴天大气等电位面 大气中电位分布可以用等电位面表示，大气电位的分布可以用等电位面表示，即是大气 中电位相同各点连面的面，由于大地看成是导体，是一个等势面，大气的等电位面与大地表 面相平行。通常高度越低，晴天大气电位面的值越小；反之高度越高其值就越大。 若n 是大气中某一点大气等电位面的法向矢量，且由低电位指向高电位，则该点的电场 表示为 陈渭民编著 V E  n （3.4 ） n 上式表明，大气电位分布密集的地方，电场较强。同时也可以看到，大气电场和等势面与地 表面的曲率有关，可以分下面两种情况： （1）平坦地表：对于平坦地表，晴天大气等电位面为平行于地面的平面，单位法向矢 量 n 垂直向上，与坐标 z 轴重合，因此晴天大气电场只存在垂直分量E z ，而其水平分量都 为 0 。这时有 V E= E z =  （3.5 ） z （2 ）地表呈起伏或不平坦时, 晴天大气等电位面因地表起伏而变一曲面，地面的法线方 向n 不再与 z 轴重合，等电位面与地表曲面近乎平行。因此晴天大气电场不仅只有垂直电场， 而且有水平分量 EX 、EY 。但是，当观测点离地物的距离大于其垂直高度的 3 倍（电线杆） 或 5 倍（山丘）时，地形对大气等势面的影响就可忽略。 3.1.4 大气电场的符号 在静电学中，电场方向从正电荷指向负电荷，即为正电场；否则为负电场，因此大气电 场垂直向下为正，与坐标轴 z 方向正好相反。而垂直向上为负的大气电场。