LHAASO觀測站晴天大氣電場分布特征

黃若琳, 馮虎成, 陳葛瑞, 吳 凱, 周勛秀

(1. 西南交通大學 機械工程學院, 四川 成都 611756; 2. 西南交通大學 信息科學與技術學院, 四川 成都 611756;3. 西南交通大學 物理科學與技術學院, 四川 成都 611756)

0 引言

觀測表明,晴天大氣中始終存在方向垂直向下、數值相對穩定的大氣電場,即大氣相對于大地帶正電荷,而大地攜帶負電荷[1].大氣電場是大氣電學中重要的參量之一.由于大氣離子的存在,使大氣具有微弱的導電性能,在大氣電場作用下,將產生晴天大氣傳導電流,并不斷中和大氣和大地所攜帶的電荷,使晴天大氣電場逐漸減弱.要維持實驗觀測中穩定的晴天大氣電場,必然還存在一些其他的大氣電過程.早在1920年，Wilson[2]就提出了全球大氣電路的物理模型,電離層下界面(正極)和地球表面(負極)兩同心球面組成球形電容器,其間充滿了具有微弱導電性能的大氣介質.全球晴天大氣傳導電流為泄放電流,它的存在使電容器正、負極所攜帶的電荷因泄放而不斷減少;全球雷暴活動所產生的補償電流(尖端放電電流和地閃閃電電流等)與晴天大氣傳導電流方向相反,以補償電容器不斷泄放的電荷,從而維持相對穩定的晴天大氣電場.自大氣電路概念提出以來,相關研究備受科學家的關注,觀測表明，雷暴活動、起電的積雨云和中高層大氣瞬態發光事件等對全球電路都有一定的貢獻[3-4].

根據球形電容器模式,電離層下界面與地球表面之間形成的整層晴天大氣電位差(其值全球是相同的),是形成晴天大氣電場的原因.晴天大氣電過程可近似看作準靜態過程,根據歐姆定律可導出地面晴天大氣電場的表達式

(1)

將(1)式兩邊取對數后對時間t求導,可得到地面晴天大氣電場相對變化

(2)

(2)式表明:晴天大氣電場的相對變化不僅取決于晴天大氣電位差的相對變化,即全球性普遍變化,如全球雷暴活動和宇宙線輻射等的變化;還取決于該地晴天大氣總電導率和晴天氣柱電阻的相對變化,即地方性局部氣候和環境的變化.

大氣電場的變化規律對研究全球大氣電路、氣候變化以及理解雷暴現象等至關重要.近年來,各地研究得到大氣電場的分布規律較為一致,但由于氣象條件、地理位置和環境污染等多種因素的影響,各地晴天大氣電場具有很強的地域性,不同地區大氣電場具體特征以及與氣象條件的相關性存在較大差異.李芳等[5]對2013—2015年山西省大氣電場監測系統8個觀測站點的觀測數據進行了統計分析,發現大氣電場的日變化具有典型的大陸型雙峰雙谷結構,電場變化與大氣中SO2、PM2.5的濃度有較好的正相關性,與NO2、PM10的相關性較差或不相關.劉暢等[6]分析了成都地區2009—2015年大氣電場資料,吳亭等[7]對北京地區不同天氣條件下大氣電場進行了研究,均發現晴天大氣電場的日變化呈雙峰雙谷結構.徐斌等[8]對青藏高原地區大氣電場進行了研究,得出近地晴天大氣電場的日變化與季節相關.文獻[9-11]利用高海拔觀測站的大氣電場數據,研究了晴天大氣電場的分布規律.

晴天大氣電場的觀測雖已取得了豐富的資料,但由于受多種因素的影響,如氣象條件、環境污染和人類活動等,難以對大氣電場的變化規律進行全面分析.本工作利用高海拔宇宙線觀測站(large high altitude air shower observatory，LHAASO)的大氣電場數據和環境監測數據,研究晴天大氣電場的日分布規律,以及電場變化與氣象參量(溫度、濕度和風速)的關聯.本文的研究結果有利于了解LHAASO觀測站局地氣候和環境的變化,為研究雷暴天氣提供了信息,對促進大氣物理與宇宙線物理交叉學科的前沿研究也具有重要的理論和實際意義.

1 實驗數據

位于中國四川省稻城縣海子山的LHAASO實驗(海拔約4 410 m),包含3個子陣列,即1 km2、地面粒子探測器陣列(KM2A)、水切倫科夫探測器陣列(WCDA)和廣角大氣切倫科夫望遠鏡陣列(WFCTA).該實驗是世界上海拔最高、規模最大和靈敏度最強的地面宇宙射線探測裝置.為了監測LHAASO觀測站大氣電場的變化,2019年9月17日在WCDA的2號水池屋頂安裝了一臺大氣電場儀EFM-100,量程為1 000 V/cm,可以方便地探測大氣電場強度和極性隨時間的變化.屋頂和探頭的高度對電場儀讀數具有一定的放大效應,本工作中的電場讀數尚未進行標定,測量所得的電場強度是相對值.

為了監測LHAASO觀測站的環境,在20 m塔的不同高度處安裝了溫度、風速、濕度和雨量等氣象參量的觀測系統.本工作通過分析大氣電場數據和環境監測數據,研究晴天大氣電場的分布規律以及大氣電場的氣象效應.

研究晴天大氣電場需要對實驗數據進行篩選,選出“符合晴天條件”的大氣電場數據.觀測表明,在晴朗天氣下(無降水)大氣相對于大地帶正電荷,電場值較低、波動較小.本工作中晴天大氣電場數據所滿足的條件為：1) 大氣電場的極性為正;2) 大氣電場強度值在0～150 V/cm之間;3) 環境監測數據中“雨量”顯示為0.

2 結果與討論

2.1 晴天大氣電場的統計分布受地面環境和氣象條件等因素的影響,晴天大氣電場并不是一個恒定不變的值,而是在一定范圍內變化.統計2019年11月至2020年10月的大氣電場數據,發現LHAASO觀測站的晴天大氣電場強度主要分布在1～10 V/cm范圍內,如圖1所示.可見,晴天大氣相對穩定,大氣電場在較小的范圍內波動.

圖1 LHAASO觀測站晴天大氣電場的統計分布

2.2 晴天大氣電場的日變化受局地氣候的影響,晴天大氣電場存在太陽的周期變化.圖2是2019年10月11日至16日連續6天大氣電場隨時間的分布,2019年10月11日零點為時間起點，可以看出大氣電場強度出現明顯的日周期性變化規律,其值在2～12 V/cm范圍內,一日之內電場強度出現兩次極大值(峰)和兩次極小值(谷).

圖2 晴天大氣電場隨時間的分布

為了得到更加清晰的周期性變化規律,本文統計2019年11月至2020年10月晴天大氣電場日變化的平均效應,如圖3所示.由圖3可知,LHAASO觀測站晴天大氣電場的日平均變化呈雙峰雙谷結構,第一個峰值出現在北京時間12:00,第二個峰值出現在18:00;第一個谷值出現在7:00,第二個谷值出現在13:00.

圖3 LHAASO觀測站晴天大氣電場的日平均變化

晴天大氣電場強度的日周期性變化主要和地方性大氣氣溶膠濃度有關[12-13].氣溶膠粒子可吸收大氣輕離子而變成大氣重離子,大氣重離子的增加將降低大氣遷移率而增加大氣的導電性.可見,大氣氣溶膠濃度增大會使大氣電場強度增加.結合(2)式,可解釋圖3中晴天大氣電場的日變化特征.日出后,太陽輻射逐漸增強,低層大氣中的熱對流和湍流垂直輸送作用開始增加,近地面大氣中的氣溶膠含量增加,使得大氣電導率下降,從而導致晴天大氣電場逐漸增加，并在上午12:00左右出現峰值.午時前后,由于低層大氣中熱對流和湍流的垂直輸送較為旺盛,較低層大氣中的氣溶膠向較高層大氣大量輸送,使整層大氣氣柱電阻增加,而近地面的大氣電導率變化不明顯,導致晴天大氣電場在13:00出現谷值.午后至傍晚,低層大氣中熱對流和湍流的垂直輸送減弱,大氣中氣溶膠濃度隨之減小,氣溶膠的沉積使近地面氣溶膠濃度增加,使大氣電導率與晴天氣柱電阻減小,從而導致晴天大氣電場在18:00出現更強的峰值.到了深夜至日出前,低層大氣趨于穩定,氣溶膠的含量逐漸減小,使晴天大氣電導率增加,電場強度逐漸下降,在7:00左右再次出現谷值.

受全年氣候變化的影響,晴天大氣電場波動范圍以及峰谷出現的時間范圍具有季節性差異.為分析大氣電場日變化的季節效應,本工作將全年分成夏半年(5—10月)和冬半年(11月至次年4月).圖4是夏半年(簡稱夏季)和冬半年(簡稱冬季)的晴天大氣電場日變化規律,從圖4可以看出,夏季大氣電場日變化的雙峰雙谷結構較冬季明顯;同時，夏季的大氣電場強度波動范圍和平均強度均比冬季大,夏季在3.5～8.5 V/cm之間,冬季在2.5～5.5 V/cm之間.

圖4 LHAASO觀測站不同季節晴天大氣電場的日平均變化

由圖4可看出,大氣電場峰、谷出現的早晚在夏季和冬季略有不同.統計夏季和冬季峰、谷出現的時間范圍可知,夏季大氣電場的峰和谷出現時間都比冬季早,且夏季的時間分布范圍比冬季寬.這可能是季節變化和太陽升起時間不同所導致[14].

2.3 晴天大氣電場的氣象效應氣象參量將通過不同的作用機制間接影響大氣電場的值,也就是說，晴天大氣電場的日周期性變化與氣象參量有著密切的關系.本工作分析了LHAASO觀測站同期記錄的氣象數據,研究大氣電場的日變化與大氣溫度、濕度和風速的關聯.圖5是晴天大氣電場的日平均變化與大氣溫度日平均變化的關系.可見,在一個太陽日內,大氣電場強度的日平均變化與溫度有很強的依賴關系,當溫度升高時,電場強度增加,反之亦然,電場強度隨著溫度的降低而減小,即大氣電場與溫度呈正相關.這是因為大氣溫度升高,熱對流和湍流增強,使大氣氣溶膠含量增大,氣溶膠粒子吸收大氣輕離子而變成大氣重離子,降低大氣的電導率,從而使晴天大氣電場的強度增大.

圖5 晴天大氣電場和大氣溫度的日平均變化

同時,根據夏季和冬季溫度的日平均變化可知,夏季的平均溫度范圍為3～12 ℃,冬季的平均溫度-5～6 ℃,即夏季比冬季的溫度高.由于溫度與大氣電場呈正相關,所以夏季的大氣電場強度比冬季大.

對大氣電場的作用,水汽分子與氣溶膠粒子有相似之處,即水汽分子也容易與大氣輕離子結合,但一般不會形成大氣重離子,只是會降低大氣的遷移率,使大氣的電導率減小,從而導致大氣電場增加,這說明水汽和大氣電場呈正相關,即濕度與大氣電場呈正相關.圖6是LHAASO觀測站晴天大氣電場和大氣相對濕度在一個太陽日內的平均分布關系.

圖6 晴天大氣電場與相對濕度的日平均變化

圖6并沒有給出大氣電場與濕度的正相關關系,因為影響大氣電場的是多個氣象因素共同作用的結果.在同樣多的水蒸氣情況下,溫度升高，相對濕度就會降低,即溫度與相對濕度呈反相關.圖7是LHAASO觀測站大氣相對濕度與溫度日平均變化的關系,可見,溫度升高,相對濕度會減小,當溫度降低時,相對濕度會逐漸增加.

圖7 大氣溫度與相對濕度的日平均變化

當相對濕度減小時,大氣電場將降低;但相對濕度與溫度呈反相關,濕度減小時溫度卻增加,由于溫度的增加,將增加大氣電場的強度.這就出現了濕度減小、大氣電場卻增加的現象(見圖8).從圖5和圖6可看出,溫度對大氣電場的影響比濕度強得多.

劉暢等[6]的研究表明,大氣電場的日變化與風速也有一定的關系.Latham[15]認為風沙流中大沙粒與小沙粒發生非對稱摩擦,將引起沙粒帶電.Greeley等[16]研究表明,當沙粒粒徑大于0.6 mm時,沙粒帶正電荷,這說明運動的沙粒可使大氣電場增加.圖8顯示了LHAASO觀測站風速的日變化與大氣電場呈正相關.其影響機理可能是：隨著風速的增大,大風會將地表較大顆粒吹到空中,同時風的擴散效應會將細粒子加快擴散,這將導致大電場強度的增加.

圖8 晴天大氣電場與風速的日平均變化

3 結論

晴天大氣電場的變化受全球性普遍變化機制和地域性局地日變化機制的共同影響[17],晴天大氣電場對全球大氣電路和局地氣候、環境變化的研究具有重要意義.晴朗天氣條件與雷暴期間的電場行為密切相關[18],晴天大氣電場的研究有助于理解高海拔區域的雷暴現象.本文利用LHAASO觀測站2019年11月至2020年10月的大氣電場數據,重點研究了晴天大氣電場的日變化規律以及大氣電場與氣象參量(溫度、濕度、風速)之間的關系,得到以下結論.

1) 晴天大氣電場的日變化呈雙峰雙谷結構,且表現出一定的季節效應,夏季的電場強度比冬季大,其雙峰雙谷的結構比冬季更明顯.

2) 電場強度的日變化主要與地方性大氣氣溶膠濃度有關,且呈正相關關系,即電場強度隨著氣溶膠濃度的增加而增大.

3) 大氣中的氣象參量(溫度、濕度、風速)與大氣電場強度變化呈正相關,其中溫度對電場強度的影響起主導作用.可見,夏季氣候濕暖，冬季干冷,這將導致晴天大氣電場分布規律呈現出明顯的季節效應.

致謝感謝LHAASO合作組全體成員.