2025年大学《大气科学》专业题库- 大气电磁场研究与应用

2025年大学《大气科学》专业题库——大气电磁场研究与应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题1.大气中主要的天然电离过程不包括以下哪一项？A.宇宙射线效应B.太阳紫外线辐射C.地球放射性元素衰变D.大气中的臭氧催化分解2.通常情况下，大气电场的水平梯度方向指向？A.地磁北极B.地磁南极C.地理北极D.地理南极3.在全球大气电学中，哪个区域被称为“电离层顶部”并具有较大的电位？A.地面附近B.电离层F2层顶C.电离层D层底部D.平流层中部4.雷电放电过程中，通常哪个部分的电荷量最大？A.雷云底部B.雷云顶部C.接地闪电通道D.云地之间的感应电荷5.以下哪种设备主要用于探测电离层电子密度随高度的分布？A.雷电定位系统B.电离层垂向探测仪（如riometer）C.微波辐射计D.测风雷达6.大气中产生尖端放电现象的条件主要是？A.空气湿度大B.存在强电场且空气干燥C.雷电活动频繁D.大气压力高7.国际上标准的雷电定位系统（LLS）通常采用的双站或多站方法是基于？A.光学追踪B.电磁波时差测量C.磁场强度对比D.卫星遥测8.大气中的极光现象主要是由太阳风粒子与哪个层次的大气粒子碰撞引起的？A.对流层B.平流层C.中层大气（中间层）D.热层（电离层）9.下列哪项不是大气电磁环境的主要人为干扰源？A.广播电台发射B.电力系统谐波C.极光活动D.卫星通信系统10.用于遥感大气水汽含量的微波辐射计，其工作波段通常位于？A.可见光波段B.红外波段C.毫米波或亚毫米波段D.整个无线电波谱11.大气电离层对无线电波的传播主要产生的影响是？A.减弱信号强度B.改变信号频率C.使信号发生折射、反射或散射D.引起信号相位锁定12.静电除尘器利用大气电学原理，其核心是？A.利用雷电进行除尘B.使尘埃粒子感应电荷并在电场中迁移C.通过加热空气使尘埃升华D.利用超声波震动分离尘埃13.大气闪电定位原理通常依赖于测量闪电通道产生的？A.可见光脉冲B.电磁脉冲（VLF/LF）C.热量辐射D.次声波信号14.电离层骚扰（如风暴）对地面无线电通信可能造成的主要影响是？A.增强短波通信距离B.导致特定频率范围的通信中断或衰落C.提高通信保密性D.改变通信语音质量15.测量大气电场强度的仪器通常称为？A.电离计B.皮托管C.电场米D.球磨计二、填空题1.大气中的电位分布通常从______指向______，地面附近存在一个负电位中心。2.产生全球大气电量的主要区域是______和______。3.电离层F层在白天通常分裂为F1层和F2层，其中F2层主要存在于______高度范围，是______波反射的关键区域。4.闪电通道具有复杂的电流波形，通常包含一个快速上升的主脉冲和一个较慢衰减的______。5.大气电磁波辐射计通过测量大气对特定波长电磁波的______来确定大气参数。6.大气中的极光主要发生在离地面约______至______高度的范围。7.评估大气电磁环境对航空通信影响时，需要关注的主要参数包括信号电平、______和______。8.利用尖端放电原理保护高大建筑物免受雷击的装置是______。9.探测电离层D层电子浓度的典型仪器是______，它对太阳__频段辐射非常敏感。10.大气中的天然电场主要分为全球电场和______两种类型。三、判断题1.大气电场的垂直分量在晴天条件下通常指向地面。（）2.雷电放电总是从云层底部向地面发生。（）3.电离层能够使所有频率的无线电波都能进行远距离传播。（）4.大气中的臭氧层既能吸收紫外线，也能产生一定的电离作用。（）5.静电感应是雷云中电荷分布形成的重要原因之一。（）四、简答题1.简述大气电中性原理，并解释大气中是如何维持电荷平衡的。2.比较电离层D层和F层对无线电波传播的主要影响（正、负影响）。3.简要说明雷电定位系统（LLS）确定雷电位置的基本原理。五、计算题1.假设测得某处大气电场的水平分量Eh=100kV/m，方向指向北。试计算该处单位面积上的垂直电荷密度σ（设空气介电常数ε≈8.854×10⁻¹²F/m，空气介电常数μ≈4π×10⁻⁷H/m）。2.一束频率为10MHz的无线电波在电离层F2层反射，已知该频率的临界频率fc=3MHz。若接收站与发射站相距为3000km，且信号路径与地面平行，试估算F2层电子密度N的最大值（使用国际公制单位，相对地球表面）。六、论述题试论述大气电磁场研究对现代社会的实际应用价值，并选择其中两个方面进行详细阐述。试卷答案一、选择题1.D2.B3.B4.A5.B6.B7.B8.D9.C10.C11.C12.B13.D14.B15.C二、填空题1.地磁北极地磁南极2.雷云顶部地面3.80-120km长波4.尾电流5.发射/吸收6.100km600km7.电磁干扰信号衰落8.避雷针9.riometer紫外10.局地电场三、判断题1.√2.×3.×4.√5.√四、简答题1.解析思路：首先阐述大气电中性原理（大气宏观上呈电中性）。然后解释电荷平衡机制：主要是通过大气中的电荷交换过程（如电子与中性大气分子碰撞复合、离子与电子结合形成中性粒子）来维持。全球范围内，通过大气环流和电离层将局地产生的电荷进行输送和平衡。2.解析思路：分别说明D层和F层对短波通信的影响。D层（60-90km）：吸收来自太阳的短波辐射（特别是HF频段），对通信产生衰减，但在白天存在。F层（100-400km）：反射短波信号，使电离层反射通信成为可能，是长距离短波通信的基础。夜晚F层分裂，通信能力下降。3.解析思路：阐述LLS原理的核心是时差测量。利用至少两个地面观测站接收同一闪电产生的VLF/LF脉冲信号。通过测量信号到达不同站点的时间差（Δt），并已知站点间距（d），可以反演出闪电发生的位置（利用几何关系或更精确的算法如双曲线定位改进算法）。五、计算题1.解析思路：根据高斯定律在垂直于电场方向的单位面积上，电场力与电荷密度关系E=σ/(εμ)。已知E和ε、μ，直接代入公式求解σ。注意单位统一。解：σ=εμE=(8.854×10⁻¹²F/m)×(4π×10⁻⁷H/m)×(100×10³V/m)≈1.11×10⁻⁹C/m²2.解析思路：利用电离层临界频率公式fc=9√(Nmax/πe₀μ₀)，其中e₀和μ₀是真空介电常数和磁导率，它们与空气的ε和μ有比例关系。先求出Nmax，再利用无线电波反射的临界角概念（sin(θc)=fc/f），结合距离和地球曲率半径估算反射高度H。但题目要求Nmax，直接用公式计算即可。解：fc=3MHz=3×10⁶Hz,e₀μ₀=(8.854×10⁻¹²)×(4π×10⁻⁷)H/m≈1.112×10⁻⁶F·H/mNmax=(πe₀μ₀/9)×(fc)⁴≈(π×1.112×10⁻⁶/9)×(3×10⁶)⁴≈(3.898×10⁻⁷/9)×(8.1×10²⁴)≈(4.33×10⁻⁸)×(8.1×10²⁴)≈3.51×10¹⁷electrons/m³六、论述题解析思路：首先概述大气电磁场研究的广泛应用价值，涵盖通信、导航、气象、环境监测、空间科学等多个领域。然后选择两个方面进行详细阐述。例如：方面一：雷电监测与防护。阐述雷电活动的危害性，说明大气电磁场研究如何通过闪电定位系统（LLS）实时监测雷电活动，提供预警信息