帶電云對大氣電場隨高度變化特征的影響*

李 磊 陳 濤 蘇建峰 李 文 提 爍 吳 晗 羅 靜 王詩涵 李仁康

1(中國科學院國家空間科學中心 空間天氣學國家重點實驗室 北京 100190)

2(中國科學院大學 北京 100049)

3(南方科技大學地球與行星科學學院 深圳 518055)

4(云南師范大學物理與電子信息學院 昆明 650500)

0 引言

Aplin 等[1]在很早之前就給出了全球大氣電路的概念模型，雷暴和閃電活動是維持全球電路變化的主要來源[2-4]。在全球大氣電路的概念模型中，大氣電場尤為重要，其是空間物理、大氣物理和空間環境等領域的重要特征參數。大氣電場的變化與雷暴活動[5,6]、大氣污染物[7,8]、太陽活動[9,10]、地磁活動[11]、氣候變化[12]等很多因素有關，許多學者也研究了在不同大氣環境和天氣條件下大氣電場強度的變化特征[13-17]。

在晴天條件下的全球大氣電路中，地球表面是帶有負電的良導體，而電離層是帶正電的在60 km 以上高度處的部分電離大氣區域。因此，在地球表面與電離層之間，就會存在一個由電離層垂直指向地面的電場，稱為晴天大氣電場。晴天大氣電場具有較明顯的日變化[18-20]和年變化[12]特征。晴天大氣電場隨高度的變化特征會因時、因地而異，由于大地帶負電，大量符號相反的正電荷就會在貼近地面的薄層大氣中聚集，并且電荷的分布在大氣層中很不均勻，因此晴天大氣電場會隨高度升高呈現近似指數衰減的變化特征。

監測和探測大氣電場的變化，對雷暴預警[21]、保障運載火箭發射[22]具有重要的作用，而且大氣電場的探測實驗也是臨近空間環境探測研究的一個重要組成部分。國內外有很多學者進行過大氣電場的測量實驗[23,24]。盡管已經存在很多大氣電場的相關研究，但在特殊地形對大氣電場的高度分布測量并不廣泛。本文主要通過在青海省大柴旦地區近地面進行氣球放飛測量大氣電場隨高度分布的實驗，研究分析青藏高原上大氣電場隨高度的變化特征，為不同地理條件下晴天大氣電場的測量和研究提供一定的科學觀測依據。

1 大氣電場儀

目前所用到的電場儀有很多，常用的有地面旋轉式電場儀、滾筒式電場儀以及球載雙球電場儀、微火箭電場儀。地面旋轉式電場儀是由數片扇形金屬片的轉子和定子構成，轉子接地屏蔽，定子感應電荷。通過測量定子上交變感應的電荷形成的電流，實現對探頭所在外界靜態電場的測量。滾筒式電場儀探頭則是對半分開的圓柱體金屬。探頭的兩部分外壁在旋轉時就會在電場中產生周期性的感應電荷，通過測量感應電流就能得到電場值。微火箭電場儀則是將上述探頭換成兩半箭頭形狀的導體。另外，還可以利用兩個金屬球繞垂直于兩球球心連線的軸旋轉產生交變的感應電荷來測量電場，制成球載雙球式電場儀。除此以外，Li[25]提出了一種基于 FPGA 數字式大氣電場儀的設計，將傳感器探頭采用差動結構，使電路具備結構更簡單、數字化程度更高、測量精度更高等優點。Adzhiev 等[22]提出了一種能夠在–40～55℃工作的大氣電場儀，適用于高空測量。

本文所用到的大氣電場儀是中國科學院國家空間科學中心空間天氣學國家重點實驗室自主研制開發的空間差分新型電場儀，其原理如圖1 所示，當電機帶動轉子勻速轉動時，上下定片在電場中交替地被屏蔽或暴露，各自產生交變的信號輸出。采用兩個定子和轉子，利用差分電路的特點，輸出信號與兩個輸入信號之間的差值成比例，消除了自身帶電所產生的誤差。這種空間差分新型電場儀體積小、質量輕、耗電少，適合搭載在探空氣球上對空間電場進行探測。

圖1 空間差分新型電場儀原理Fig.1 New space differential electric field instrument’s principle

本次野外空間電場氣球探測用到的大氣電場測量系統包括大氣電場儀、發射機、天線、GPS 接收機、電源、降落傘、地面接收系統。測得的大氣電場數據與GPS 接收機的定位參數由發射機發回地面接收，經由數據處理系統處理后顯示。在空中大氣電場氣球測量系統中，氣球下方依次為降落傘、探測裝置、大氣電場測量裝置（包括大氣電場儀、GPS 接收機、電源和發射機）。

2 實驗過程

2.1 晴天大氣標準

測量大氣電場，選擇晴天大氣的標準對于實驗過程以及實驗結果是很重要的。Latha[26]給出的晴天定義是天空中的云量小于3/8，風速小于4 m·s–1，并且沒有降水。Harrison[27]也給出了晴天的定義,即沒有降水，沒有低云，天空中的積云小于3/8，10m高度處的平均風速小于8m·s–1。與以上的定義類似，Zhang等[7]給出的晴天標準是沒有降水、沒有低云、天空中的積云小于3/8和平均風速小于4m·s–1。Siingh 等[28]將風速小于10 m·s–1的數據作為晴天大氣的數據選擇標準。依據以上這些晴天大氣的定義，本文以沒有低云，沒有降水，天空中的積云小于3/8，平均風速小于4 m·s–1來定義晴天大氣電場。根據2020 年9 月12 日實驗當天的氣象數據以及實驗時的場景拍攝，實驗進行期間沒有降水，沒有低層云和積云，最高風速為2 m·s–1。因此，2020 年9 月12 日大柴旦實驗中所測得的大氣電場數據是排除了其他因素干擾的有效的晴天大氣電場強度。

2.2 電場儀的標定

想要獲取可靠、科學的大氣電場強度數據，大氣電場儀的標定十分關鍵。Luo 等[29]詳細分析了三種電場儀（雙球式電場儀、微火箭電場儀和地面旋轉式電場儀）的標定方法。基于這三種電場儀的標定方法，在進行大氣電場測量實驗前，于2020 年8 月10 日進行了大氣電場儀的標定。大氣電場儀的標定系統原理是在兩個圓形鐵板之間加電壓，會產生一個模擬的大氣電場，將大氣電場儀放置在其中，只要兩圓形鐵板之間的距離保持不變，大氣電場強度與所施加的電壓就會成正比，也就是線性相關。圖2 給出了所得到的電場儀標定曲線。從電場儀的標定結果來看，外加電壓與電場強度之間的線性度超過了95%，說明電場儀性能良好，可以用于大氣電場科學實驗。

圖2 大氣電場儀的標定曲線Fig.2 Calibration curve of the atmospheric electric field instrument

2.3 大氣電場測量實驗

2020 年9 月12 日08:40 LT，在青海省大柴旦地區（95.34°E，37.74°N，海拔3185 m）進行了野外空間電場氣球探測實驗。當天氣象條件良好，適合大氣電場的測量。將大氣電場儀與數傳系統通電，反復檢查狀態是否正常。然后將氣球充氣，并將氣球、降落傘、電場儀依次連接好，待數據接收穩定且正常之后，緩緩放飛。實驗時的數據接收系統記錄到的數據格式見表1，時間分辨率為1 s。其中電場值為測得的垂直方向的大氣電場強度，工作狀態中A 代表正常工作，高度為發射機所在位置的海拔高度。探空氣球于2020 年9 月12 日上午09:21 LT 放飛，氣球平均上升速度約為3～4 m·s–1，10:58 LT 上升至最大海拔高度25.05 km，然后探空氣球由于外界大氣壓過低而爆破，降落傘和大氣電場測量裝置快速下落，下落速度超過10 m·s–1，下落至海拔高度11.61 km，信號被山遮擋，數據接收結束。2020 年9 月12 日實驗當天的地磁活動指數為：Dst指數–10～1 nT，Ap指數2～7 nT，屬于地磁平靜期。

表1 接收機記錄的數據格式Table 1 Data format recorded by the receiver

3 實驗結果

3.1 實驗數據曲線

圖3 給出的是探空氣球大氣電場探測實驗得到的垂直方向測量的大氣電場隨高度變化曲線，從圖3 中可以看出，在地面的時候（海拔3 km 附近），大氣電場值約為2600 V·m–1，之后隨著高度的增加大氣電場強度快速減小。在海拔4 km 附近，大氣電場不再減小反而增加，直到6 km 附近，電場強度從500 V·m–1增加到了750 V·m–1。在6～10 km 之間，隨著高度的增加，大氣電場繼續減小，從750 V·m–1減小到500 V·m–1。在10 km 附近,大氣電場迅速減小到100 V·m–1。10 km 以上，大氣電場緩慢繼續減小，在最高點25 km 附近，大氣電場強度最低，為10 V·m–1。從整體上看，大氣電場整體趨勢能夠較好地符合指數分布規律，但在4～10 km 左右出現了一端凸起，且有一定的波動，通過與相對濕度、風速多物理參量對比，發現其主要原因是在該段大氣電場探測設備穿過了帶電云。

圖3 探空氣球實驗測量結果（大氣電場–高度分布）Fig.3 Atmospheric electric field-altitude distribution measured by the air sounding balloon experiment

圖4 所示為探空氣球大氣電場探測實驗得到的相對濕度隨高度變化的曲線。由圖4 可知，在地面的時候，相對濕度為27%，隨著高度的增加，相對濕度迅速減小。在4 km 附近，相對濕度不再減小反而迅速增大，由17%迅速增大，直到6 km 附近增至38%。在6～10 km 之間，雖然中間有一個波動，但是整體上相對濕度迅速減小至接近0。10 km 以上，相對濕度基本穩定保持在0.4%不變。在最高點25 km 附近，相對濕度最低，為0.4%。4～7.5 km 左右相對濕度較大，尤其是5 km 附近，相對濕度不再按照原有的變化規律，而是產生了凸起，說明探測器在該段穿過了帶電云。

圖4 探空氣球實驗的相對濕度–高度分布Fig.4 Relative humidity-altitude distribution measured by the air sounding balloon experiment

圖5 所示為探空氣球實驗中得到的風速隨高度的分布曲線。從圖5 中可知，在海拔高度3～5 km 近地面的時候風速存在波動，大約為2～3 m·s–1。在5～13 km 之間，風速迅速增大，從2 m·s–1增大到了47 m·s–1。在13 km 附近，風速不再增大反而迅速減小，直到20 km，海拔高度20 km 處的風速大約為2 m·s–1。20～22.5 km之間，風速在2～3 m·s–1波動。22.5～25 km，風速出現增大，在最高點25 km 附近，風速為8 m·s–1。7.5～17 km 風速很大，說明在該段大氣上下對流活動較為劇烈，該段為對流層，17 km 以上，風速只有小幅波動，說明17～25 km 為平流層。

圖5 探空氣球實驗的風速–高度分布Fig.5 Wind speed-altitude distribution measured by the air sounding balloon experiment

對比大氣電場的高度分布與相對濕度及風速的高度分布，可以發現：大氣電場的變化受相對濕度影響很大。4～7.5 km 為帶電云，在海拔高度4 km 附近，相對濕度迅速增加，說明開始接觸云層底部，大氣電場強度增加。海拔為6 km 附近，相對濕度增加到38%，到達云內部最濕潤的部分，隨后又迅速降低，在6～7.5 km 之間一直在降低，大氣電場也在隨之減小。到達海拔高度8～10 km，相對濕度迅速降低，探空氣球逐漸離開云層，10 km 附近，探空氣球隨著不斷上升離開云層，大氣電場也迅速降低。在海拔高度10～17.5 km 以上，風速很大，超過30 m·s–1，大氣電場主要受風場影響出現一些波動，風速越大，大氣電場強度也會越大。

3.2 實驗數據分析

對2020 年9 月12 日探空氣球大氣電場探測實驗的電場數據進行深入分析。根據相關文獻研究，大氣電場隨海拔高度的分布近似符合e 指數分布，大氣電場隨高度的分布可采用如下指數規律遞減的經驗公式

其中，E0為起始高度處的大氣電場值，單位V·m–1；z為海拔高度，單位km；a為與地區、環境有關的常系數，單位km–1。利用上述公式對原始數據的散點圖進行擬合，因為中間部分海拔高度4～10 km 主要受云層中電荷分布狀態的影響，因此可以將其劃分為海拔小于3.9 km、海拔在6.7～9.7 km 之間和海拔高于11 km 三段分別進行擬合，擬合所得到的結果如圖6所示。圖6(a)為海拔小于3.9 km 數據擬合結果，E0=6.05×106V·m–1，a=–0.00255，擬合優度77.4%；圖6(b)為海拔在6.7～9.7 km 之間數據擬合結果，E0=1864 V·m–1，a=–0.00013359，擬合優度96.3%；圖6(c)為海拔高于11 km 數據擬合結果，E0=2920 V·m–1，a=–0.000247338，擬合優度95.49%。圖6(b)和圖6(c)的擬優度均超過95%，明顯好于圖6(a)段。這說明大氣電場隨海拔高度的分布對于圖6(b)和圖(c)兩段比圖6(a)能夠更好地符合e 指數的分布規律，也就是說近地面可能受到其他因素的影響。圖6(b)和圖6(c)受到其他因素的影響較小，其他因素能夠改變大氣電場的強度和波動幅度，但其整體趨勢仍然受海拔高度這一因素主導。

圖6 探空氣球實驗大氣電場強度的高度分布擬合曲線與原觀測數據對比.（a）海拔高度小于3.9 km 的數據，（b）海拔高度在6.7～9.7 km 的數據，（c）海拔高度在11 km 以上的數據Fig.6 Comparison of the fitting curve of atmospheric electric field intensity with altitude and the observed data measured by air sounding balloon experiment.(a)The altitude is less than 3.9 km.(b) The altitude is between 6.7 km and 9.7 km.(c) The altitude is higher than 11 km

4 結論與討論

大量研究結果表明，大氣電場強度會隨著高度的上升單調遞減，其數值始終為正，遞減按照指數規律變化。貼近地面的大氣中晴天大氣電場的高度分布較為復雜，會因地而異。從圖6 的擬合結果可以明顯看出：圖6(a)海拔高度小于3.9 km 的近地面，原始數據散點按指數規律擬合得到的擬合優度為77.4%，說明在貼近地面的大氣層，由于大氣湍流等因子，會改變氣溶膠的成分，使氣溶膠的成分分布無規律，導致帶電粒子的分布也并不是嚴格按照指數變化，因此指數變化規律并不十分明顯，這部分屬于大氣層中最不穩定的組成部分，得到的擬合結果也與圖6(b)、圖6(c)差異較大；圖6(b)海拔高度在6.7～9.7 km 之間，探空氣球穿過云層，實驗中遇到的帶電云層電荷分布狀態為上正下負，與大氣電場的正方向一致，因此大氣電場儀穿過帶電云層時主要受帶電云層影響，使其整段的大氣電場值有所增大，但由于帶電云層的電荷主要分布在帶電云層的上下兩端，因此大氣電場儀在帶電云層內部時，大氣電場的分布規律主要由高度變化決定，其仍然較好地符合指數變化規律，得到的擬合優度為96.3%；圖6(c)海拔高度在11 km 以上，大氣電場儀已經遠離地面和帶電云，大氣電場不再由氣溶膠成分、帶電云的電荷分布狀態決定，其主要受風速影響，但通過對比11 km 以上的電場數據與風速數據，發現11～17 km 風速對大氣電場的影響主要體現在一些細節波動，對大氣電場整體趨勢影響不大，擬合優度為95.49%，能夠很好地符合指數變化規律。

從整體上看，在近地面，晴天大氣電場的高度分布主要受大氣湍流等因子的影響，導致氣溶膠的成分分布無規律，不同地點會存在差異，指數變化規律不明顯。放飛時間2020 年9 月12 日。9:21LT，近地面的相對濕度較大，即水氣壓較大，大量水氣分子彌散在近地表大氣中，水氣分子也容易與大氣輕離子結合，但大氣輕離子與水氣分子結合在一起并不會成為大氣重離子，只是遷移率會有所減小，與此同時大氣導電性也會有所減小，也就是大氣電導率降低。由歐姆定律可得

式中，j為大氣電流密度，σ為大氣電導率，E為大氣電場。在同一地點，晴天大氣電流密度j不隨高度變化，這一結論已被大量觀測所證實。j近似為常數，電導率減小，大氣電場強度將隨之增大。這說明由于實驗當天的相對濕度較大，近地面水氣分子較多，近地面的電場強度較大，由圖3 可知，在近地面的時候（海拔3 km 附近），實驗當時測得的大氣電場值約為2600 V·m–1，與理論結果相符。此次實驗大氣電場儀所穿過的帶電云層，其內部的電荷分布狀態為上正下負，與大氣電場的正方向一致，大氣電場值整體增大，但在帶電云層內部仍按照指數變化規律遞減。高空中，大氣電場不再受地面因素的制約，會受風速的影響產生一些波動，但整體的趨勢并沒有受到影響，能夠較好地符合指數變化規律。綜上所述，2020 年9 月12 日中國科學院鴻鵠專項青海省大柴旦鎮探空氣球測量的大氣電場高度分布與理論相符，對后續相關研究具有很大的參考價值。

通過這次探空氣球探測大氣電場高度分布實驗，可以表明：在大柴旦地區，大氣電場強度會隨著高度的增大而減小，但其值始終為正值；不同高度處的大氣電場變化規律會有差異。低高度處的大氣電場受近地面湍流等因子、氣溶膠成分、水氣壓影響，不能很好地符合指數變化規律，而高高度處的大氣電場可以很好地符合指數變化規律，經過擬合得出高空中的大氣電場分布經驗公式為

大氣電場的高度分布在帶電云層中受帶電云內部的電荷分布狀態影響較大，本次實驗遇到的帶電云所攜帶的電場為250～300 V·m–1，方向與晴天大氣電場正方向相同，垂直指向地面，帶電云層會使大氣電場整體增大，但由于帶電云層的電荷主要分布在帶電云層的上下兩端，在穿過帶電云層的過程中，大氣電場主要受海拔高度制約，仍能較好地按照指數變化規律遞減。

該實驗結果很好地說明了大氣電場在穿過帶電云時的主要特征，對于后續大氣電場的分布特征研究具有一定的參考價值和科學意義。接下來將進一步深入探索、研究大氣電場在不同特殊環境條件下的信號特征和相關物理機制，更深入地開展大氣電學方面的研究。

致謝風速分布數據由中國科學院國家空間科學中心韋峰老師提供，實驗當天地磁活動指數由NASA 提供，大柴旦氣象數據由中央氣象臺提供。中國科學院光電研究院同行及先導專項總體組提供了探測平臺以及在實驗過程中給予了大力幫助和支持。