（空间物理学专业论文）中层大气闪电现象的模拟研究.pdf

摘要 中层大气闪电现象的模拟研究 摘要 当今，中层大气闪电现象的研究是：| 高层大气的热门研究课题。本论文主要从数值 模型方面对中层大气闪电现象进行模拟研究。 沦文的第一章介绍了中层大气i 习电现象的研究现状；在第二章和第三章，简单地介 绍雷暴云的电荷结构理论和闪电放电的电流特征，大气山穿和电子崩理论等，为后面的 模型建立做铺垫。 在第四章中，以p o s s i o n 方程为基础，建立了一个二维、时变的准静电场模型，并 用模型很好的解释r e ds p r i t e 的时空问特征。 在第五章中，以麦克斯韦方程组为基础建立了一个二维、时变的电磁场模型。电磁 场模型模拟结果显示：闪电放电产生的电场主要分布在两个区域，近场区和远场区。近 场区的电场( 准静电场) 是产生r e ds p r i t e 的源：远场区的电场( 辐射场) 是产生e l v e s 的源。并讨论了不同放电电流参数对e l v e s 的水平扩张速度的影响。 在第六章里，我们用扩散击穿机制简单地讨论了b l u e j e t 的空间特征。并简单的探 讨了为什么4 0 5 0 k m 高度是b l u ei e t 向上的终端高度和r e ds 曲t e 向下的最低点高度。 总之，我们改进了已有的准静电场和电磁场模型：得到了一些符合观测实际的模拟 结果；解释了一些新观测现象，为下一步的研究提供了理论基础。 关键词：中层大气闪电，r e ds p r i t e ，e l v e s ，b l u e j e t ，准静电场，辐射场 t h es i m u l a t i o ns t u d yo nm i d d l el i g h t n i n gp h e n o m e n o n a h s t r a c ! n o w a d a y s ，t h em i d d l el i g h t n i n gp h e n o m e n ai sk e yt o p i ci nt h em i d d l ea n du p p e r a t m o s p h e r e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，i ti ss t u d i e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i ns e c t i o no fi n t r o d u c t i o n ，i ti sd e s c r i b e dt h a tt h ed e v e l o p m e n to ft h em i d d l el i g h t n i n g i n v e s t i g a t i o n i nt h es e c o n da n dt h i r ds e c t i o n ，t h e ya r es i m p l yi n t r o d u c e dt h a tt h et h e o r yo f c h a r g es t r u c t u r ei nt h u n d e r c l o u d ，c u r r e n tc h a r a c t e r i s t i co fl i g h t n i n g ，t h et h e o r ) , o na t m o s p h e r e b r e a k d o w na n de l e c t r o na v a l a n c h e ，a l la r et h ef o u n d a t i o no f f o l l o w i n gp h y s i c a lm o d a l i nf o r t hs e c t i o n ，at w od i m e n s i o n a l ，t i m e d e p e n d e n tq u a s ie l e c t r o s t a t i cf i e l d ( q e f ) a r e m a d eb a s i n go np o s s i o ne q u a t i o n u s i n gt h em o d a l ，a l lo ft e m p o r a l s p a c ec h a r a c t e r i s t i co f r e ds p r i t ea r ew e l ls i m u l a t e d i nf i f t hs e c t i o n ，at w od i m e n s i o n a l ，t i m e d e p e n d e n te l e c t r o m a g n e t i cf i e l dm o d a l ( e m m o d a l ) i sf o u n do nm a x w e l le q u a t i o n s t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ee l e c t r i cf i e l d p r o d u c e db yl i g h t n i n gd i s t r i b u t ei nt w or e g i o n s ，i e n e a rf i e l dr e g i o na n df a rf i e l dr e g i o n t h e n e a rf i e l d ，w h i c hi st h es o u r c ep r o d u c i n gt h er e d s p r i t e ，i sq e fp r o d u c e db yt h u n d e r s t o r m s o u r c ec h a r g e sa n di n d u c e dc h a r g e s t h ef a rf i e l d ，n a m e l yr a d i a t e df i e l d ，w h i c hi st h es o u r c e p r o d u c i n gt h ee l v e s ，i sc a u s e db yt h el i g h t n i n gc u n e n tp u l s e t h ed e p e n d e n to fh o r i z o n m l e x p a n d i n gv e l o c i t yo fe l v e so nt h ed i f f e r e n tp a r a m e t e r so fd i s c h a r g ec u r r e n th a v eb e e n d i s c u s s e d + i ns i x t hs e c t i o n ，w es i m p l yd i s c u s st h es p a c ec h a r a c t e r i s t i co f b l u ej e tu s i n gt h ed i f f u s e b r e a k d o w nm e c h a n i s m i ti ss i m p l yi n v e s t i g a t e dw h yt h ea l t i t u d eo f4 0 5 0 k i ni st h eu p p e r b o u n do f b l u e j e ta n dl o w e rl i m i ta l t i t u d eo f r e d s p r i t e i naw o r d ，w ei m p r o v et h eq e fa n de mm o d a l ，f i n ds o m en e ws i m u l a t i o nr e s u l t sw h i c h c o n s i s t e n tw i t ho b s e r v a t i o na n df i r s t l ye x p l a i ns o m en e wp h e n o m e n o n a l lt h e s ep r o v i d ea g o o df o u n d a t i o na n di n d i c a t i o nf o rf u r t h e rs t u d y k e yw o r d s ：m i d d l el i g h t n i n g ，r e ds p r i t s ，e l v e s ，b l u ej e t ，q u a s ie l e c t r o s t a t i cf i e l d ，r a d i a t i o n f i e l d 第一章弓i 言 第一章引言 l1 研究背景 1 9 8 9 年7 月6f 1 ，f r a n ze ta 1 在明尼苏达大学的0 b r i e n 气象台测试一套新的低光 度摄像系统时幸运地捕获到了雷暴t - t j 的高空闪电( h i 曲a l t i t u d el i g h t n i n g ，h a l ) 现 象f 见图1 1 ) t 1 “。 f r a n ze ta 1 的这一重大发现立即引起大批科研工作者的广泛关注，点燃了一个古老 而又新鲜的研究课题中层( 1 5 9 0 k m ) 大气闪电研究( 对流层闪电放电产生的电 磁场在平流层中间层低电离层之间引起的电磁场耦合和光化学效应) ，过去有关高空 闪电的各种证据又重新被考证，新的观测、理论和数值模拟的研究广泛的展丌。 回顾历史上的科学文献，有很多关于雷暴之上不寻常的高空闪电的描述，比如“a l u m i n o u st r a i ls h o tu pt o1 5d e g r e e so rs o a b o u ta sf a s t a s ，o rf a s t e rt h a n ，ar o c k e t ” ( e v e r e t t ， 1 9 0 3 ) b 5 “a l i n g w e a ks t r e a m e r o f ar e d d i s h h u e ”( m a l a n ， 1 9 3 7 1 ) 划“f l a m e s a p p e a r i n g t or i s e f r o m t h e t o p o f t h ec l o u d ”( a s h m o r e 1 9 5 0 ) 2 】“t h e d i s c h a r g ea s s u m e da s h a p es i m i l a r t or o o t s o f a t r e e i na l l i n v e r t e d p o s i t i o n ”( w o o d 1 9 5 1 1 ) 阳 早在1 9 2 5 年，w i l s o n 就预言：在8 0 k m 的上空，雷暴电场应当超过空气雪崩电场 的阈值以致触发向上的闪电，1 9 5 6 年他又进一步指出，高空闪电应当是一种常见现象， 只是大多数高空闪电因为大气的散射或现象本身较弱而不容易在地面上观察到7 5 , 7 6 1 。 可见，不管是从观测还是从理论上讲，中层大气闪电现象是一个古老而又新鲜的研 究课题。 1 2 中层大气闪电现象的观测介绍 从1 9 8 9 年至今的十余年时间内，人们对中层大气闪电现象进行了多仪器、全方位 的观测，探测到由雷暴云电荷和闪电放电电流脉冲产生的电磁场引起的r e ds p r i t e ，b l u e j 吒e l v e s ( e m i s s i o n so f i g h ta n d 儿fp e r t u r b a t i o n sd u et oe m ps o u r c e s ) 和g i g a n t i c j e t 等多 种光电现象( 图1 2 - 6 给出这四种现象的图像) 。下面我们分别简单地介绍这四种中层大 气闪电现象的观测特征( 包括表1 - 1 和表1 2 ) 。 中层大气闪电现象的模拟研究 图1 ，1r e ds p r i t e 的首次黑白照片 摘i 刍f r a n zrc ，n e m z e k ，r j ，w i n c k l e r , j r ，1 9 9 0 s c i e n c e 图2 2 第一张彩色r e ds p r i t e 相片；摘自h t t p ：s p r i t e p h y n c k u e d u t w s p r i t e i n d e x h u n 2 第一章引言 图1 3 b l u e j e t 像片， 摘自h t t p ：s p r i t e p h y n c k u e d u t w s p r i t e i n d e x h t m 图14 e l v e s 像片， 摘自h t t p ：# s p r i t ep h y n e k u e d ut w s p r i t e i n d e x h t m 3 中层大气闪电现象的模拟研究 图1 5g i g a n t i c j e t 像片， 摘自h t t p ：s p r i t e p h y n c k u e d u t w s p r i t e i n d e x h t m 图1 , 6 中层大气闪电的分类， 摘自h t t p ：s p r i t e p h y n e k u e d u t w s p r i t e i n d e x h t m 4 表1 1 四种中层大气i l j 电现象的发现 r e ds p r i t e b l u e i e t e l v e s g i g a n t i cj e t 发现者 f r a n ze ca 1 w e s c o t te ta 1 b e o c ke ia i 台湾成功大学r e d s p r i t e 研究团队 时问 1 9 8 9 761 9 9 4 63 01 9 9 22 0 0 272 2 地点明尼苏达阿肯色州f r e n c hg u y a n a 台湾吕宋岛 首次纪录仪器低广度照相机摄像机摄像机摄像机 原名h a l u p l i g h t n i n g 表1 2 四种中层大气闪电现象的时空特征 高度范围( k m )宽度范围( k m )持续时间( m s ) b l u e j e t 1 5 4 01 1 0、山百毫秒 r e ds p r i t e5 0 8 5 几公里1 一几十毫秒 e l v e s7 5 1 0 5 几百公里 q ( p o s i t i v ec l o u d g r o u n dd i s c h a r g e ， r c gd i s c h a r g e ) 0 l 起的百分率分别为8 6 和7 8 ，得到_ ：rr e ds p r i t e 基本上是由大的正云 地闪产生的结沦。他们同时得剑，产生r e ds p r i t e 的闪电放电i 乜流的峰值都分布在所有 探测到的正云地闪的最大峰值电流附近，并且，产生r e ds p r i t e 的所有正云地闪的闪电 放电电流中值大约是不产生r e ds p r i t e 的_ _ l 三云地闪放电电流中值的二倍捧j 。 s e n t m a ne ta 1 【1 9 9 5 ，1 9 9 8 】1 5 1 , 5 ：t 1 分析常速( 6 0 s ) 低光度录像机拍摄的r e ds p r i t e 相 片，得到r e ds p r i t e 的光强度相当于一个中等亮度的极光，平均亮度为2 5 5 0 k r ，最大 亮度为6 0 0 k r 的结论。1 9 9 8 年，c u m m e re ta 1 1 3 1 给出了大约l m s 时间分辨率的光度 计对r e ds p r i t e 的亮度测量，三个r e ds p r i t e 事件的峰值亮度分别是1 0 ，1 和o 5 m r 。 m e n d ee ta 1 1 1 9 9 5 1 3 3 1 和h a m p t o ne ta 1 1 9 9 6 1 洋细地分析r e ds p r i t e 的光谱，得到了 r e ds p r i t e 光谱是由氮分子第一个正波段产生的结论，并分析了产生r e ds p r i t e 的光辐射 的电子的能量能谱，结果表明产生r e ds p r i t e 的电子的能量足够电离氮分子，但是没有 发现能产生逃逸雪崩的m e v 高能电子的证据。他们的结论是：r e ds p r i t e 是由符合波尔 兹曼温度分布的平均能量为l e v 的电子产生的光辐射。 b o c c i p p i oe ta 1 【1 9 9 5 1 1 8 1 从时间和空间上分析了r e ds p r i t e 与探测到的甚低频( v e r y l o wf r e q u e n c y , v l f ) 信号的关系，发现r e ds p r i t e 是由下面的强闪电放电引起，同时 伴随有早快的甚低频( e a r l y f a s tv l f ) 事件，说明产生r e ds p r i t e 时中层大气的电导率 发生很大的变化。最近大多数的光度计测量表明，r e ds p r i t e 发生的时问比引起它的云 地闪的时间延迟约3 到几十毫秒( c u m m e r , 2 0 0 3 1 ) 。 r e i s i n ge ta 1 1 1 9 9 6 1 4 5 1 分析了产生r e ds p r i t e 时记录的闪电的电磁场波形，推断出产 生r e ds p r i t e 的闪电存在一个大而长的连续电流，此连续电流传输大量电荷到地面，并 认为r e ds p d t e 是产生探测到的甚低频( v e r yl o wf r e q u e n c y , v l f ) 信号的极低频 f e x t r e m el o wf r e q u e n c y , e l f ) 尾巴。19 9 7 年，c u m r n e ra n di n a n l h l 分析了由正云地闪产 生的r e x ls p r i t e 产生6 个极低频( e l f ) 电磁信号。分析结果和后来c u m m e re t a 1 ( 1 9 9 8 a b ) 1 1 2 , 1 3 1 和r e i s i n ge ta 1 ( 1 9 9 9 ) 1 4 6 1 的分析结果一样，整个闪电的电场波形不仅包 含了由闪电放电电流产生的波形成分，而且包括由r e ds p r i t e 的电流产生的波形成分。 c u m r n e re ta 1 的工作刚好支持了r e i s i n ge t a l 的观点。 s t a n l e ye ta 1 2 0 0 1 1 t 5 6 1 分析三个极低频信号得到白天发生的r e ds p r i t e 。白天里，由 第章- m j 于低电离层向f 降落到夜晚时问的r e ds p r i t e 产生的高度，所以白天时问的r e ds p r i t e 的产生高度更低，r e ds p r i t e 出现的地方f l 勺空气密度更大。因此，可以推测白天产生r e d s p r i t e 需要更大的电场，也就意i 睐着闪f 乜放电必需传输更大的f 乜荷。从二个白天的r e d s p r i t e ，s t a n l e ye ta l 膏 _ 算得到r e ds p r i t e 引起的垂直电偶的变化为2 8 0 0 ，1 2 0 0 ，9 1 0ck m ， s t a n l e ye ta 1 发现，在r e ds p r i t e 发生之前1 1 l3 m s ，引起三个r e ds p r i t e 的i e 云地闪的 电偶的变化范围为3 9 0 0 6 0 0 0 c k m ，反映r e ds p r i t e 引起的电偶变化占引起他们的正云地 闪的电偶的变化的不少部分。 2 0 0 1 年，b a r r i n g t o n - l e i g he ta l 4 j 报道了由高速加强录像机和光度计阵观测的s p r i t e h a l o ，其出现高度为7 0 8 5 k m ，表现为漫射( d i f f u s e ) 结构，亮度范围从0 1 一几十m r 。w e s c o t t 1 9 9 5 ，1 9 9 6 ，1 9 9 8 a ，b 6 6 - 6 9 1 5 q r e dsp r i t e 做了连续地观测工作，2 0 0 1 年，他分析了观测到的 四例s p r i t eh a l o 现象，发现s p r i t eh a l o 的亮度中心在大约7 8 k m ，厚度约4 k m ，直径大 约6 6 k m 。m i y a s a t o 2 0 0 2 1 3 5 用相干光度计和摄像机材料分析了s p r i t eh a l o 的直径和向 下运动的速度特征，得到与w e s c o t t 一致的结果。因为我们认为s p r i t eh a l o 现象只不过 是r e ds p r i t e 现象的早期表现( 理由见模拟结果分析) ，所以，在本文中我们将s p r i t eh a l o 现象归纳在r e ds p r i t e 现象中。 1 2 2 b l u e j e t 1 9 9 4 年6 月3 0 ( w e s c o t t e ta l + 1 9 9 5 ，1 9 9 8 a ，b ，2 0 0 1 1 ) 1 6 6 ，6 8 1 ，探测到高频率发生的 b l u ei e t 事件，在阿肯色州雷暴之上，2 2 分钟内b l u ei e t 的发生率为每分钟2 8 次。b l u e i e t 向上运动的速度一般为1 0 5 m s ，最大高度范围在3 3 4 3 k m ，一般情况下，形状象一个 倒圆锥，圆锥角的范围为6 5 。一3 1 56 ，平均角度为1 4 7 。，在圆锥的顶端向外张开，使 b l u ej e t 看起来像一个喇叭。大多数b l u ej e t 在发光2 0 0 m s 后同时变暗，底部的最大亮 度估计大约为o 5 m r ，顶部的亮度减小到7 k r 。w e s c o t te ta 1 强调，b l u ei e t 向上运动的 速度与地面到云底的梯级先导的速度相似，但是，b l u ei e t 没有明显的精细结构，也没 有像梯级先导那样梯级运动或分又的特性，一些b l u e j e t 的前沿表现出模糊的“波前”。 1 9 9 6 年，w e s c o t te ta 1 6 7 1 分析了1 9 9 4 年的观测资料，得到2 8 例由他命名的b 1 u e s t a r t e r ，得到b l u es t a r t e r 的总长度小于1 0 k m ，一般为几公里长，产生的平均初始高度 为1 8 k m ，终端高度为1 8 - 2 6 k i n ，向上运动的速度变化范围较大，从2 7x 1 0 4 到 i 5 1 0 5 m s ，通常的情况下。总的来说，b l u es t a r t e r 的速度和b l u e j e t 的速度( 7 7 1 0 4 到 中层人气蚓i u 现象的模拟l i j l 3 7 i 2 2 1 0 m s 。1 ) 相似。l b 于b l u es t a r t e r 和b l u e i e t 仅仅在高度上有叫显差别，在本文中， 我们将b l u es t a r t e r 看作一种强度较弱的b l u ei e t 现象。 1 9 9 8 年，w e s c o t te ta i 1 6 9 , 7 0 再次对他在1 9 9 4 年得到的b l u ei e t 的数据进行了分析。 他指出，b l u ei e t 发生的时问与正云地闪或者负云地闪的发生时间并不一致，却通常发 生在雷暴云中大冰雹发生的位置。在b l u ei e t 发生地点l5 k m 范围内，在其发生的前1 s 时问内，负云地p , i 的发生率大大增加，在其发生后2 s 的时间内，负云地闪的发生率大 大减少。 1 2 3 e i v e s b o e c ke ta 1 1 9 9 2 1 6 1 报道了从航天飞机上拍摄的在热带海洋雷暴云上空的一例瞬时 发光事件，高度大约9 5 k m ，亮度增强的高度跨度大约1 0 2 0 k i n ，水平范围大约5 0 0 k m 。 这是首次有关e l v e s 的报道。 1 9 9 6 和1 9 9 7 年，f u k u n i s h ie ta 1 n , l s l m 高速多通道光度计和加强电离耦合照相机 ( c c dc a m e r a ) 得到有明确的时间和空间分辨率的e l v e s 现象的证据。他们分析得到 e l v e s 现象的持续时间小于1 m s ，水平大小为1 0 0 3 0 0 k m ，出现在7 5 1 0 5 k m 的范围内， 亮度为1 - 1 0 m r ，发生在闪电放电之后，但在r e ds p r i t e 出现之前。f u k u n i s h i 【1 9 9 6 首 次将这种现象叫做e l v e s 。 i n a ne ta 1 1 9 9 7 2 9 1 用水平方向排列的光度计阵首次得到了e l v e s 径向扩张的测量数 据，分析得到e l v e s 的水平扩张速度为( 3 1 0 8 ) c ，根据n l d n 纪录，此次e l v e s 现象 由正云地闪产生，峰值电流为1 5 0 k a 。b a r r i n g t o n l e i g ha n dl n a n 1 9 9 9 】和 b a r r i n g t o n l e i g he ta 1 2 0 0 1 p 4 1 观测证明了i n a ne ta 1 1 9 9 7 1 x 寸e l v e s 水平扩张速度的观 测结果。 1 2 4g i g a n t i c j e t 2 0 0 2 年7 月2 2 日，台湾成功大学物理系的“r e ds p r i t e 研究团队”在吕宋岛西方海 域一个雷暴云上方拍摄到5 个g i g a n t i c j e t ，这些g i g a n t i c j e t 在十五公里高的云顶出现， 一直延伸到九十公里的高空，g i g a n t i cj e t 的顶端宽度约4 0 公里，总发光体体积为 3 1 0 4 k m 3o 至今，全世界的科学家只记录到六例g i g a n t i c j e t 现象( s u ，h t ， 2 0 0 3 1 ，h s u ，r r ， 1 2 0 0 4 1 ) 1 5 6 , 2 3 1o r 筇章一儿。 1 3 中层闪电现象的理论和模型研究介绍 在对中层大气l 刈电现象积极观测的同时，不刚莫型相继被提出。1 9 9 0 年，l n a ne ta 1 【“ 提出了山闪电放r e 生的强电磁场i b k 卜f ( e l e c t r o m a g n e t i cp u l s e ，e m p l 将引起电离层的电 子加热的观点，并在1 9 9 1 1 9 9 7 年，l n a n 在一系列文章中讨论了闪电放电产生的电磁场 脉冲对低电离层的加热作用1 2 5 4 9 1 。1 9 9 3 年，t a r a n e n k oe ta 1 5 8 , 5 9 1 建立了一个维动力学模 式，模拟了l n 电放电产生的电磁脉冲引起的大气电离和光辐射。1 9 9 5 年，r o w l a n de ta 1 【4 6 j 建立了一个闪电放电产生的电磁场脉冲和电离层相互作用的二维电磁脉冲模型( e m p m o d e l ) 。1 9 9 6 年，i n a ne ta t 1 2 8 1 也建立了一个二维的电磁脉冲模式，模拟e l v e s 的时空特 征。1 9 9 5 一1 9 9 8 年，p a s k 0 1 3 8 4 3 1 在其一系列文献中应用准静电场模型( q u a s ie l e c t r o s t a t i c f i e l d ，q e f ) 较全而的解释了r e ds p r i t e 的时空特征。c h oe ta 1 1 9 9 8 和v e r o n i se t a 1 1 1 9 9 9 1 6 0 1 分别运用二维电磁场模式( e l e c t r o m a g n e t i cm o d e l ，e mm o d e l ) ，模拟闪电放 电产生的电场和光辐射。 在不同的模型中，用来解释中层闪电现象的物理机制主要有两种。一种是准静电场 热崩机$ 1 ( t h e r m a lb r e a k d o w nm e c h a n i s m ) ( p a s k o ，b o c c i p p i o ，w i n c k l e r 等) 4 8 】，认为 中层火气闪电现象是闪电放电后( 前) 的准静电场( q e f ) 或闪电放电电流产生的辐射电 场脉冲( e m p ) 对中层大气中的能量较低的电子( 约几e v ) d l 速，当被加速的电子获得 足够的能量，反过来对周围的大气加热、电离和产生光辐射。另一种机制为逃逸雪崩机 $ 1 ( r t m a w a yb r e a k d o w nm e c h a n i s m ) ( 以a v g u r e v i c h ，gm m i l i k h ，r o u s s e l d u p r ea n d w i n c k l e r 为代表) 4 8 1 ，认为r e ds p r i t e ( o rb l u ej e t ) 是因为放电后( 前) 的准静电场对宇 宙射线产生的逃逸电子( r u n a w a ye l e c t r o n ，或称高能电子( e n e r g e t i ce l e c t r o n ) ，能量量级 为m e v ) ；0 n 速，被加速的高能电子反过来电离周围大气引起逃逸雪崩。 引起中层大气闪电现象的能量源是雷暴云电荷和闪电放电电流产生的电磁场，通常 将电场按产生时间分成三种，( 1 ) 闪电放电前雷暴云源电荷引起的准静电场( q s f ) ；( 2 ) 闪电放电电流产生的电磁场脉冲( e m p ) ：( 3 ) 闪电放电后雷暴云中的剩余电荷和大气中 的诱导电荷产生的准静电场( q s f ) 。表1 3 中列出了以上两种机制和三种电场的不同组 合及所对应的现象。 9 中崖人气闪i b 现象的模拟砌f 究 表l 一3 中层触电现象不同模型的电场源和加热机制组合 1 4 研究目的和意义 1 4 1 科学意义 正如台湾华卫一1 卫星的科学目标中指出那样：中高层大气的研究，是当今空问物理 研究的重要领域；中层大气闪电现象的研究，现在成为中高层大气研究的热点之一。通 过中层闪电现象的电磁场、光化学现象的研究，揭示对流层一中层一电离层之问电磁场的 耦合机制，探索中层闪电现象在全球电路中的作用以及中层闪电现象对太阳的各种事件 的响应；对臭氧层的影响；对中高层大气中能量粒子的产生的影响等等，都具有深远的 科学意义。 1 4 2 应用价值 a 强雷暴闪电现象现在仍然对人类生命安全造成伤害和财产造成损失，全球每年由 雷暴灾害引起的经济损失达数十亿美元。中层大气闪电现象是由强雷暴闪电现象直接产 生的，对它的观测、模拟和物理机制的研究，为我们认识雷暴和闪电的特征以及人工积 极防雷具有指导意义。 b 闪电引起的早，陕的甚低频( e a r l y f a s tv l f ) 事件( b o c c i p p i oe ta 1 ， 1 9 9 5 ) 1 8 1 , 说 明闪电产生的强电场引起中层大气的电导率发生很大的变化。现今，很多军事和民用的 无线电、低频和极低频的电磁信号都是由地面一电离层波导传输的，人工积极改变电离 层具有的潜在军事价值越来越被重视，中层大气闪电现象的研究为此研究提供了一个天 然的实验场。 c 早在1 9 9 0 年f r a n z 1 6 1 就指出，“大的向上的放电对飞行器和火箭的发射产生危害”。 第帝川击 巾层闪电现象对高空飞机、火箭等航天器具有潜在的影响和危害。所以，中层大气i 刈电 现象的研究为航空、航天环境提供强有力的安全保障。 至今，以美国和欧洲科学家为主体，包括亚洲的h 本，印度；f t il i a r 国的台湾地区在内 的大量研究工作者，全世界大概有1 0 多个研究机构致力于中层大气i j 电现象的光学和 无线电测量，理论和模拟研究也做出了很好的基础工作。但是，我国大陆在这方面的研 究儿乎空白，此论文的工作希望能填补国内在数值模拟方面的这项空白，为这个领域的 研究做出基础性的工作。 第一章人气1 u 掌特种 第二章大气电学特征 通常，我们将本杰明富兰克林所作的风筝实验用风筝从云层中吸引闪电的著 名实验作为大气电学这一科学研究的丌端( 18 5 2 年) 。这一章里，我们简啦地介绍大气 的基本电特性，全球电路，雷暴起电，闪电等。 第一节晴天大气电特征 2 1 1 晴天大气中存在电场和自由电荷 通常情况下，晴天大气中存在一个垂直的电场。j vl r i b a r n ee ta 1 做的一个简单实 验证明大气中存在电场：假定在大气中放一个孤立的导体球( 开始不带电，用一个绝缘 体支撑，如图2 1 ) ，当我们用一个导线将导体球的底部与地连接。然后将导体球( 不导 电接触) 放入法拉第圆筒中，法拉第圆筒与一个简易的电场计连接，电场计会张开，表 明导体球带电了，说明原先电中性的导体球在接地过程中发生了电荷转移。此试验说明 大气中存在电场。 此外，大气中存在少量的自由电荷，这一点也可以通过一个简易实验验证。在大气 中放入一个带电的绝缘体，绝缘体所带的电荷在大气中会慢慢的消失。因为带电绝缘体 仅仅裸露在大气中，所以只能是被大气中的自由电荷所中和了，此试验说明大气中存在 少量的自由电荷。 图2 1晴天大气电场的验证实验 搿 中层人气闪l u 现象的模拟_ i j f 究 2 1 2 晴天大气的电流密度 大量探测实验表 q ) j ( g r l n g e le ta l ，】9 7 3 ) 1 ，存晴天的情况下，大气中存在个晴天电 流密度，且r 乜流密度的数值随时间、地点的不同而发生变化，但随高度的变化较小( 图 2 2 ) 。在通常的理论计算中，大气电流密度的取值( 方向向一f ) 为 ，l 一3 x l o1 2 ，m2 ( 2 1 ) 图2 2g r i n g e l 等1 9 7 3 年秋季利用气球在北大西洋上空探 测到的晴天大气的垂直电流密度。摘自( ( h a n d b o o k o f a t m o s p h e r ee l e c t r o d y n a m i c s ) ) ，v o l l a n d 编著。 2 1 3 晴天大气的电导率 晴天大气电导率包括电子的电导率和离子的电导率，在6 0 k m 以下( 电离层d 区的 下边界) ，大气的密度相对较大，电子数密度相对较小，并且电子与中性气体碰撞频繁， 大气的总电导率以离子的电导率o ，为主；在6 0 k m 以上，大气密度相对较小，电子数密 度相对较大，总电导率以电子的电导率以为主。当然，6 0 k m 只是人为定盼一个分界高 度，实际并不存在这样一个清楚的分界面。通常，大气探测试验得到的电导率实际是大 气的总电导率，适用的高度范围一般在电离层下限( 6 0 k m ) 以下。 1 9 8 4 年，v o l l a n d 删给出了晴天大气电导率口( 6 0 k i n 以下成立) 的参数化公式： 至毒 毒。_毒 卜 f；哥“ 望塑丛堕堑 圭= 喜婶也二毡e 也：十a 2 e 母十a 3 e 也：， ( 2 2 ) 其中系数b 为而善蒜，品) = ( 4 6 9 ，45 2 7 ) ，( 2 22 ，o 3 7 5 ) ，( 5 只0 1 2 l l 。 1 9 9 1 年，i i o l z w o r t h 2 2 1 给出从大量测量数据拟合得到的电导率公式： 盯3 ( 1 7 o 4 ) 1 0 f 7 2 7 “s m ( 2 3 ) 在公式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 中，z 为高度，单位为k m 。 电子的屯导率公式为： 吒2 吼札以， ( 2 4 ) 其中吼为电子的电量，以为电子的迁移率，。为电子的数密度。电子数密度与季节、 一天的时间、经纬度和太阳的活动有关。在本文的研究中，我们采用下面的经验公式计 算电子数密度( c h r i s t o p h e r e t a l 2 0 0 1 ) 【9 1 。( z ) = j 4 3 l07 p 5 。xp “”。) l c m ， f 2 - 5 、 公式( 2 5 ) 中，z n n 拔n n ，单- 4 a nk m ，= 0 5 k m ，；为参照高度，通常取值为 z = 8 5 k m 2 1 4 晴天大气电场 1 9 8 3 年到1 9 8 4 年，h o l z w o r t h 2 1 用气球装载的仪器对1 0 2 7 k i n 高度范由的电场和电 导率连续进行了1 8 天的测量( t h ee l e c t r o d y n a m i c s o ft h em i d d l ea t h l o s d h e r e ( e m a ) e x p e r i m e n t ) ，用其中一个气球( e m a 3 ) 的测量数据拟合的电场强度的公式如下： e = = a e x p ( z b ) ( 2 6 ) 其中，爿= ( 1 4 3 _ + 0 7 9 ) x 1 0v m ，b = - 7 0 6 + _ 0 3 2k m 。 实际上，知道了大气的电流密度和大气的屯导率，由欧姆定律，可得到从地面到电 离层的电场强度表达式。由公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 得 e z = 一j 口2 一j a , e 。”，( 2 - 7 ) 图2 3 给出了分别由公式( 2 6 ) 和公式( 2 7 ) 得到的电场随高度的变化。两个公式的 中层人气闪i u 现象的模拟1 1 j f 冗 结果基本致，并e l 随高度的增如i ，晴天大气电场都迅速衰减到0 v m 。 图2 3 晴大大气电场强度随高度的变化 2 1 5 晴天大气的电势 如果将地球看成一个导电球体，并假定其电势为零，将e ：对高度积分，就得到从 地面到高度z 之问的电势差u ( z ) ( 单位k v ) “( z ) = 一r e ：d z = ，窆j 和呐2 = i ，a ，b , o e x p ( 一e z ) ) ( 2 8 ) 其中系数a b 与公式( 2 2 ) 中的取值一样。图2 4 为电势差对高度的剖面，电势差主 要集中在近地面。6 0 k i n 以上，电势随高度几乎不变，大约为2 4 0 k v 。 2 1 6 晴天大气的电荷密度 已知电场对高度的函数，可以推得晴天大气的电荷密度。空间电荷密度和电场的关 系服从高斯方程，因为电场只是高度的函数，所以 岛( z ) ：占_ o e 其中，= 知是空气的介电常数。将( 2 7 ) 代入( 2 9 ) ，得 ( 2 9 ) 第二章晴天人气特f i | ： p ( z ) = g o ，a ，e p “i 图2 5 为晴天大气电荷密度的高度剖面图。 ( 2 1 0 ) 图2 4 晴天大气电势随高度的变化 2 1 7 全球电路 上个世纪初( 1 9 2 5 年) ，w i l s o n 7 5 】就提出了全球电路模型，他认为，地球和电离层 构成一个同心的电容器，电离层相对地球的电势基本保持在2 4 0 k v 。这个电容器的电阻 r 和电容 c可简单计算为： r = v 1 = e ( j s ) ；2 4 0 q ， c - = q 矿；6 6 7 1 0 3 ( 2 4 0 x 1 0 3 ) 12 8 f ，假定这个电容器的电容总电量为q ，地球的表面积 简单估计为s = 5 1 0 “m 2 ，那么，地球表面以上大气具有的总正电荷q 的计算式为 将( 2 1 0 ) 公式代入公式( 2 一1 1 ) ，可得q = 6 7 7 k c 。地球所带的总电荷为一6 6 7 k c 。 ( 2 一1 1 ) 在地球一电离层电容器中，因为大气不是完全绝缘的，所带电量应慢慢消失，电量 消失的时间常数为 r = r c 兰1 l m i n( 2 1 2 ) 但是，为什么地球一电离层电容器总能保持电势差和电量呢? 这是由雷暴放电产生的不 断充电作用所导致的，雷暴放电就相当于这个系统的发电机，不断的向电离层充电，维 持全球电路。 中层人气闪l u 规象的模拟州究 图2 5 电荷密度的高度剖面图 第二节雷暴云的电荷结构 雷暴云；( t h u n d e r c l o u d ) 是具有强烈上升气流和下沉气流的积雨云( c u m u l o n i m b u