第二章、带电粒子

第二章、带电粒子第1页，课件共47页，创作于2023年2月问题提出：闪电中电荷从何而来？

电荷源—大气中尺度、质量不等的各种荷电粒子，主要是大气离子大气中的电场、电流和云中强电场的形成和雷电过程都与大气中离子活动密切相关了解大气离子的基本特征和特性是大气电学的基础大气离子的结构和类型又与大气成分相关第2页，课件共47页，创作于2023年2月§1.大气气体成分和气溶胶大气中荷电基本载体：气体分子和气溶胶一、大气粒子的尺度（1）10-8cm原子或分子，获取或失去电子（2）10-6cm代表一种更稳定和永久的尺度。可能停留一些时间，凝聚也不快（3）10-5cm气溶胶尺度，几乎不受布朗运动和重力影响（4）10-4cm大气气溶胶粒子，特大粒子的极小端（5）10-3cm近似云滴，几分钟内在重力作用下消失第3页，课件共47页，创作于2023年2月（6）10-2cm毛毛雨，极少，在尘暴激烈事件中出现（7）10-1cm雨滴，每年约4×1022个（8）1cm雨滴半径大于0.5cm下降时会破碎因此此类雨滴很少，但冰雹、雪团会有这一尺度（9）10cm特大冰雹第4页，课件共47页，创作于2023年2月第5页，课件共47页，创作于2023年2月二、大气粒子尺度谱尺度谱n(r)定义：粒子数n随粒子半径r的变化对于球形粒子，半径r—r+dr间隔内，单位体积的粒子可用n(r)dr表示类似正态的粒子分布可用修正的伽玛函数表示N0—单位体积内所有大小粒子的总数Γ—是伽玛函数rn—表征分布的一种半径α—分布的方差第6页，课件共47页，创作于2023年2月正态的粒子分布最小粒子最大粒子第7页，课件共47页，创作于2023年2月三、大气气体成分气体容积含量％气体容积含量％气体容积含量％氮（N2）78.084氢（H2）5.0×10–5沼气（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氩（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页，课件共47页，创作于2023年2月四、大气气溶胶

大气中气溶胶指悬浮在大气中的各种固态和液态微粒，能在空气中滞留至少几个小时。如尘埃、海盐、云雾和降水粒子等，但是习惯上，大气气溶胶不包括云雾粒子和降水粒子。

气溶胶的作用：

对太阳辐射和大气辐射以及地气辐射、大气化学都有重要影响，对云雾和降水的形成等有重要作用气溶胶对大气中的电过程也起重要作用。尺度：10–3—102um第9页，课件共47页，创作于2023年2月第10页，课件共47页，创作于2023年2月气溶胶的来源：自然界产生的气溶胶是由于风力及其他自然的（火山爆发的喷射物、森林大火产生的烟尘）或人为的力使存在于地面的粒子离开地面进入大气，或者是由于浸蚀、分解、风化、碎浪、泡沫等使碎屑离开固体表面进入大气第11页，课件共47页，创作于2023年2月气溶胶主要集中于5km高度以下的对流层大气中，特别是2~3km气溶胶浓度从地面随高度呈指数递减其中是地面处气溶胶浓度，是高度处气溶胶浓度，为经验系数第12页，课件共47页，创作于2023年2月气溶胶浓度的日变化气溶胶浓度具有明显的日变化，其变化规律各地差异很大一般陆地气溶胶浓度的日变化较海上大，晴天的日变化较阴天大。气溶胶浓度日变化具有双峰、双谷的形式

第一峰值出现于早晨8时左右第二峰值出现于20时左右第一谷值出现于4时左右此时大气较为稳定第二谷值出现于16时左右

第13页，课件共47页，创作于2023年2月在18世纪时，已有些学者发现大气并非绝缘介质，莱顿瓶的发明的起因就是因为很多研究电现象的学者发觉绝缘良好的带电物上的电荷会在几十分钟后消失殆尽。长期考察之后，才知大气里总是含有大量气体正、负离子，使大气具有微弱导电性。这些带电粒子是如何产生的？其运动有何规律？这些都是与闪电的特性和防雷有紧密关系§2.2大气电离源和电离率第14页，课件共47页，创作于2023年2月大气中的离子主要来源于大气中存在的电离过程，而引起大气电离的电离源有四种：地壳中放射性物质发出的放射线；大气中放射性物质发生的放射线；地球之外的宇宙射线（如太阳辐射中波长小于1000Å左右的紫外线，但它主要存在于高层大气，在对流层中部很重要）大气中的闪电、火山爆发、森林大火、尘暴、雪暴等，也使大气电离。前三种是主要的电离源第15页，课件共47页，创作于2023年2月一、电离率

描述电离源对大气电离的能力定义：在单位体积和单位时间内大气分子被电离源电离为正负离子对的数目，单位：离子对/㎝3·s或㎝-3·s-1。大气的电离率取决于电离源的强度和大气的密度。第16页，课件共47页，创作于2023年2月二、电离源1、地壳中的放射性物质发出的射线

2、大气中的电离源3、宇宙射线对大气的电离

第17页，课件共47页，创作于2023年2月电离源——地壳放射物质发出的射线α，β，γ射线第18页，课件共47页，创作于2023年2月αβγ铀元素衰变，放出α粒子。由两个质子两个中子组成，与氦原子核相同碳14衰变放出β粒子，即现在已知的电子原子核多出的能量以γ射线放出。波长非常短的电磁波，也就是能量非常强的光子第19页，课件共47页，创作于2023年2月地壳中的放射性物质发出的射线地壳中含有镭、铀、和钍等放射性物质，这些物质不断的发射α、β和γ射线。α射线有强的电离能力，但是贯穿能力差，所以他很少能到达离地面十几厘米高度以上的大气中，它对大气的电离可以忽略β射线的电离能力弱于α射线，但它的贯穿能力比α射线强，在地面处产生的大气电离率为0.3对㎝-3·s-1。γ射线是光子流，它的电离能力最差，但是其贯穿本领最大，地面处产生的电离率为3.2对㎝-3·s-1，约占地壳中各射线对大气电离率总贡献的91%，所以是地壳中各射线中主要电离源。第20页，课件共47页，创作于2023年2月地壳中放射性物质发出的各种射线强度在穿过大气时随高度迅速减小，对大气的电离率也随之迅速减小。在0.5km高度地壳放射线对大气的电离率为地面值的2%，到1km高度则迅速减小为地面的0.1%左右，所以地壳中的放射线对大气的电离主要局限于离地面1km的高度第21页，课件共47页，创作于2023年2月地壳中的铀衰变成镭，再衰变成氡，氡进入大气工业排放的放射性污染物质核爆炸电离源——大气中的放射物质第22页，课件共47页，创作于2023年2月大气中的电离源来源：大气中含有氡等微量放射性物质，它们主要来自由于地壳中的放射性物质，以及工业排放的放射性污染物质，这些物质借助大气中的上升气流和湍流，扩散到离地约4~5km高度的大气中。大气中的放射性物质发射的α、β和γ射线与地壳中所放射的射线的电离率不同，如大气中α射线在近地面处的电离率达到4.4㎝-3·s-1，γ射线的电离率达到0.15㎝-3·s-1，而β射线的电离率仅为0.03㎝-3·s-1。大气中α射线在地面处的电离率达到大气中各种电离源对大气电离总贡献的96%。因此α射线是大气中放射物质发射的射线的主要电离源。

第23页，课件共47页，创作于2023年2月

1m高度以下的贴地层大气中各种电离源产生大气电

离率随高度的分布第24页，课件共47页，创作于2023年2月对流层低层大气电离率随高的变化海洋上空大气中放射物质比陆地上少得多，在海洋上的放射率比地壳内小几个量级，因此作为电离源重要性较小第25页，课件共47页，创作于2023年2月电离源——宇宙射线宇宙射线指来自于宇宙的一种具有相当大能量的带电粒子流主要有质子、氦核、铁核等裸原子核组成的高能粒子流，也含有中性的γ射线和能穿越地球的中微子流第26页，课件共47页，创作于2023年2月宇宙射线对大气的电离

宇宙射线通过大气时受地磁场的作用向两极偏转，所以宇宙射线随纬度增加而增大，同时其电离率也随纬度而变化。如在赤道海平面处大气的电离率为1.5㎝-3·s-1；在纬度40°~45°处，电离率增大为1.9㎝-3·s-1。第27页，课件共47页，创作于2023年2月

宇宙射线的电离率随高度迅速增大在0~0.5km高度范围内，宇宙射线的电离率占大气总电离率的25%，在1~2km高度范围内，电离率升至82%；在3~4km高度范围内，电离率升至97%；到5~6km高度处，大气的电离率已主要是宇宙射线所引起的。但是由于大气密度随高度减小，所以宇宙射线的电离率并非随高度单调上升，大约在10~15km高度处大气电离率达极大值，接着随高的增加而下降。第28页，课件共47页，创作于2023年2月对流层到平流层下层纬度分别为

13°N和41°N时大气电离率随高度变化第29页，课件共47页，创作于2023年2月太阳黑子对电离率的影响第30页，课件共47页，创作于2023年2月不同高度晴天大气电离率的高度变化第31页，课件共47页，创作于2023年2月地面大气电离率的日变化第32页，课件共47页，创作于2023年2月§2.3大气离子的组成

一、大气中离子的组成大气中的离子主要分为两类：

1、带正负号电荷的小离子，或称轻离子，其半径约10-8~10-7cm，它常由几个电离分子与中性分子聚合而成。

2、大离子，或称重离子，它是由各种大小不同的带电气溶胶粒子所组成，根据粒子尺度，重离子有分为Langevin离子、大离子或超大离子第33页，课件共47页，创作于2023年2月大气离子的分类，以及各类大气离子所对应的大气离子迁移率(大致对应大气离子半径)的变化范围，均列于下表.第34页，课件共47页，创作于2023年2月§2.4大气离子迁移率和大气离子方程一、大气离子物理量

表征大气粒子物理特征的物理量有三个：1、大气粒子的电荷

大气中的离子一般只带一个电荷，其大小为1.602×10-19C，只有较大的离子才带一个以上电荷。2、大气离子的半径

大气离子半径指其有效半径，其变化范围从10-8～10-5㎝3、大气离子迁移率

大气离子的迁移率表示大气离子在大气中的运动特征

原因有两种：

a.由于机械力使其运动，此原因造成的迁移率称机械迁移率

b.电场对离子作用产生的运动，称之为电迁移率第35页，课件共47页，创作于2023年2月离子的机械迁移率与扩散系数可用爱因斯坦关系式表示

式中D是扩散系数，T是温度，B是机械迁移率，是波尔兹曼常数。a.

机械迁移率第36页，课件共47页，创作于2023年2月b.

电迁移率

当大气离子处在大气电场中运动时，它将受到两种力的作用：一、静电力；二、大气介质对粒子的阻力。如果两种力相等时，它便做等速运动。若大气场强为E，大气离子作等速运动的速度为u，则大气离子的速度与电场强度的关系为：

式中称作大气离子电迁移率，或称大气离子的迁移率第37页，课件共47页，创作于2023年2月二、大气离子迁移率的计算Stoks-millikan模式：大气离子在电场强度E的作用下，它所受的静电力表示为F=eE

在大气中，大气粒子在静电力的作用下作等速运动受到的阻力为

当离子受到的阻力与静电力平衡时，有F=-F’第38页，课件共47页，创作于2023年2月上式表明，大气粒子迁移率与大气离子电荷、大气离子半径、大气分子平均自由程、大气粘滞系数及常数a，b，c有关由前面公式推导可得：大气离子迁移率表达式第39页，课件共47页，创作于2023年2月它的主要特点为：当大气条件和大气介质特征不变得情况下，大气粒子的迁移率仅与大气离子半径有关，半径越小，迁移率越大。轻离子比重离子的迁移率要大两个数量级。负轻离子的迁移率大于正轻离子。分子量小的离子迁移率大于分子量大的迁移率，大气轻离子迁移率随地点而异，在地面和海面处，大气轻离子的迁移率平均值一般为1~2㎝2·V-1·S-1。大气离子的迁移率随高度而变，大气离子的迁移率与粘滞系数成反比，即与大气密度成反比，所以大气离子迁移率随高度迅速增加。第40页，课件共47页，创作于2023年2月§2.5大气离子的时空分布

1.大气轻离子浓度的变化范围约从102~103cm－3数量级.陆地表面大气正轻离子浓度的平均值为750cm－3

大气负轻离子浓度的平均值为650cm－3

大气正、负轻离子浓度比值大于1，平均为1：1.15海洋表面大气轻离子浓度一般略低于陆地表面的数值大气正轻离子浓度的平均值为600cm－3，

大气负轻离子浓度的平均值为500cm－3

大气正负轻离子浓度的比值平均为1.20

一、大气离子浓度随地点变化第41页，课件共47页，创作于2023年2月2.大气重离