淺談靜電對氣象儀器的不利影響及解決方法

祝傳棟 趙德林 楊鳳婷 袁馬強

（1.南京信息工程大學 大氣科學學院，江蘇 南京210044；2.南京信息工程大學 物理與光電工程學院，江蘇 南京210044）

0 序言

氣象儀器的基本作用就是對大氣中的溫度、濕度、氣壓、風等氣象要素進行觀測與記錄。 而隨著氣象科技的發展，氣象儀器逐步實現電子化、智能化，尤其是自動觀測站的氣象觀測儀器。 凡是電子產品，都難以避免靜電的不利影響，故由電子元件構成的氣象儀器會自發的產生靜電電荷，并不斷積累，進而影響觀測的有效性與準確性，從而使觀測到的氣象數據與大氣的真實狀態有一定程度的偏差。而天氣預報或者氣候預測對初始資料的準確性有高度的依賴性，如果氣象資料的準確性不能保證的話，那么對資料的再分析就會失去意義，天氣預報及氣候預測的水平肯定會受到一定影響。因此消除靜電對氣象儀器的影響是非常有必要的，它對于提高預報的準確性，提高公共氣象服務水平以及社會經濟效益具有重要意義。

1 靜電產生的機制

1.1 微觀機制

所有物質都是由分子組成，原子又構成分子，原子由帶正電的電子與帶負電的電子組成，而原子的原子核外面有位于不同能級的電子繞其運動。 當原子失去電子時則會帶正電，原子獲得電子時則會帶負電。 這種不平衡電子分布是由電子受外力而脫離軌道引起的。

1.2 宏觀機制

產生靜電的途徑主要有四種:①電磁感應造成的物體表面電荷的不平衡分布；②物體間摩擦生熱，激發電子使其向更高能級躍遷甚至逃逸；③物體間相互接觸可引發電荷在物體表面的不均勻分布；④物體間摩擦與電磁感應綜合作用產生靜電。

兩種不同物體相互接觸會使得兩個物體的電荷重新分布，一個物體由于得到電子而帶負電荷，另一個物體由于失去電子而帶正電荷[1]。任何氣體、固體、液體都會因接觸分離而產生靜電。大氣是流動的氣體，它也是由原子、分子組成的，當空氣流動時，它會與其接觸的任何物體間產生接觸分離而起電。

2 對氣象儀器的實例分析

2.1 電傳式風向風速計

圖1

這種風速計由風標、發光管、光敏管、阻力圈等部件組成。 其中的發光管、光敏管和阻力圈為電子元件。

當有風時，風標會轉動，風標轉動會在阻力圈中激發出磁場，由于電磁感應效應也能激發產生靜電電荷，當靜電電荷不斷積累時，積累到一定程度后，靜電電荷會迅速釋放，產生很高的靜電電流以及靜電電壓。由于此類風速計是通過將由風標旋轉產生的電流或者電壓換算為風速來測風的，故靜電電壓疊加在其上會對風速記錄值的準確性有一定影響；當空氣濕度較低時，空氣與電子元件的接觸面也會產生靜電，由于此風速計大部分是電子元件，故會受此影響。

2.2 空盒氣壓表

圖2

空盒氣壓表是以金屬彈性膜盒作為感應元件，利用金屬彈力和大氣壓力相平衡的原理來測定氣壓。感應元件是由兩片金屬膜焊接成的扁圓形空盒。當空氣干燥時，在金屬彈性膜上易產生并積累靜電電荷，當積累足夠多時，會對彈性膜的上下運動產生阻礙，這種作用類似于塑料與毛皮作用時，塑料對毛皮產生一定的吸附作用，故使得其運動速度更加滯后于大氣氣壓的變化，使氣壓記錄值偏離大氣實際氣壓較大。 這種阻礙作用所產生的效果與彈性后效相近，也是空盒的彈性形變滯后于彈性受壓作用。

2.3 直接日射強度表

圖3

直接日射強度表由進光筒、瞄準器、感應件跟蹤架組成。其中的感應件由感應面和熱電堆組成。其測量太陽輻射的基本原理是通過感應面接受太陽輻射，然后熱電堆將輻射能轉化為電流強度來推算單位面積上所接受到的輻射能。 然而這種電學原理使它避免不了靜電的影響，當感應元件與干燥的空氣接觸，同樣易產生靜電電荷，由于靜電電荷具有快速釋放的特點，因此產生的靜電電流會疊加其上，使檢流計測出的由太陽輻射產生的電流偏大或者偏小。

3 對氣象儀器產生靜電條件分析

3.1 空氣濕度

大氣中含有水汽，而水是一種導體，很多物體有水附著時導電性會加強，當空氣中濕度較高時，氣象儀器表面以及內部元件易附有一層很薄的水膜，水膜溶解空氣中的二氧化碳，電離出大量的氫離子、碳酸根離子、碳酸氫根離子[2]。這些離子使得氣象儀器表面以及內部元件表面電阻率減小，使得靜電電荷很快被導泄出去，不易積聚。所以在空氣濕度較高時，靜電電荷是很難積累的。 只有當空氣濕度很低時才會產生靜電電荷積累現象，故而，空氣干燥是產生靜電的基本條件

3.2 觀測人員自身攜帶靜電對氣象儀器的影響

在地面觀測中， 很多氣象要素都需要氣象觀測人員親自去讀取的，由于人體常帶有靜電，人體與氣象儀器發生間接或者直接接觸均會使氣象儀器表面的靜電電荷重新分布，使氣象儀器的觀測準確度降低。

3.3 氣溫

氣溫通常與大氣濕度是共同起作用的。當氣溫較高，空氣較干時，氣象儀器表面產生的靜電電荷不易釋放，并容易積聚，產生靜電現象。大氣可分為近地面層、上部摩擦層、自由大氣，其中近地面層與上部摩擦層統稱為大氣邊界層，當大氣邊界層內的溫度較高時，邊界層內的水汽被大量蒸發，通過湍流運動輸送到自由大氣，故使得大氣下層空氣濕度低，不易于氣象儀器表面及內部元件靜電電荷的導泄。

4 消除靜電的方法

4.1 增加空氣濕度

增加空氣濕度僅僅限于那些受空氣濕度影響不大的氣象要素。[3]

表1

從上表可看出靜電電壓與空氣濕度是呈負相關的，當空氣濕度達到60%以上時，靜電電壓較干燥空氣很小，物體表面的靜電電荷可以被迅速導瀉，不易積聚。 故某些氣象儀器也可通過適當增濕的方法來消除靜電的影響，使得雖有靜電電荷，但難以產生靜電現象。

4.2 接地處理

設計防靜電系統，對金屬氣象儀器進行接地處理。 處理過程需要注意的方面：①防靜電地線不能接在電源零線上，同時注意不要與氣象觀測場的防雷地線一起使用，由于雷擊會影響整個回路，使氣象儀器發生故障或者性能降低；②使用三相五線制供電，其中的大地線可以作為防靜電地線，同時注意零線與地線不要混接；③要從電源主配電箱地線處直接引出零線的同時，在同一點經過1 兆歐電阻隔離后引出防靜電地線的主干線，該主干線要采用截面積為5 平方毫米以上的銅芯橡皮軟線；④防靜電系統必須可靠，要求其具備獨立而可靠的接地設備，接地電阻小于10 歐[4]。 埋設與檢測方法可參照氣象部門基本規范。

4.3 觀測環境方面

對某些氣象儀器的內部部件用防靜電元件盒包裹，氣象觀測人員在對氣象要素進行觀測之前要統一穿戴防靜電工作服、 防靜電鞋，佩戴防靜電腕帶[5]。 氣象觀測人員盡量快速地完成對氣象要素的記錄工作，縮短與氣象儀器的接觸時間。

5 結論

通過對靜電對氣象儀器的不利影響的研究，總結出了氣象儀器產生靜電及靜電積累的條件以及消除靜電的方法。氣象儀器易產生靜電的外部原因為空氣干燥和氣象觀測人員自身攜帶靜電的影響，內部原因為本身所含電子元件在工作中不可不免地產生靜電。消除氣象儀器所帶靜電的方法：首先是對氣象儀器外殼進行接地處理，其次是對某些氣象儀器外圍小范圍環境進行增濕處理，最后是要求氣象觀測人員統一佩戴防靜電工作服。 在消除氣象儀器所產生的靜電方面，雖然短期成本較高，但它所帶來的各方面效益卻是長期的。第一，在消除靜電的同時也是在對氣象儀器進行防護；第二，消除靜電的影響可以提高氣象儀器的工作性能，使氣象觀測數據更加準確；第三，氣象觀測資料的準確度提高了， 可以在一定程度上提高氣象要素初始場的穩定性，對于的天氣預報與氣候預測水平的提高有促進作用，對公共氣象氣象服務水平的提高有重要意義。

［1］林鵬.淺談靜電對氣象制氫、用氫的威脅及防范[J].氣象，1988（04）.

［2］李家啟.極端氣象條件誘發的靜電火災事故分析與防范建議[J].氣象科技，2013（02）.

［3］何魯敏.干燥和靜電[J].中華建筑報，2002（003）.

［4］賈九榮.淺談電子產品靜電及靜電防護[J].機電元件，2011（01）.

［5］朱壽會.防靜電器材的防靜電原理及使用方法[J].電子工藝技術，1994（06）.