第二章 晴天大气带电粒子离子,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,（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41022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,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利。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。,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,气溶胶主要集中于5km高度以下的对流层大气中，特别是23km 气溶胶浓度从地面随高度呈指数递减,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,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。,2.2 大气电离源和电离率,大气中的粒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1000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,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/3s或-3s-1。 大气的电离率取决于电离源的强度和大气的密度。,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,1、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、和射线。 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 射线的电离能力弱于射线，但它的贯穿能力比射线强，在地面处产生的大气电离率为0.3对-3s-1。 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-3s-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。,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,2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45km高度的大气中。 大气中的放射性物质发射的、和射线与地壳中所放射的射线的电离率不同，如大气中射线在近地面处的电离率达到4.4-3s-1，射线的电离率达到0.15-3s-1，而 射线的电离率仅为0.03-3s-1。 大气中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%。因此射线是大气中放射物质发射的射线的主要电离源。,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,对流层低层大气电离率随高的变化,3、宇宙射线对大气的电离,宇宙射线主要由能量为1081021eV的高能质子所组成，它可以穿透整层大气，不仅使大气电离，而且与大气分子碰撞产生中子和介子等高能粒子，构成宇宙射线。 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1.5-3s-1；在纬度40 45处，电离率增大为1.9-3s-1 。,宇宙射线的电离率随高度迅速增大 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1015km高度处大气电离率达极大值，接着随高的增加而下降。,2.3大气离子的形成过程,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10-810-7cm，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,二、 电离过程 1.形成原理 由静电学可推导出暴露于干洁大气中的孤立金属球所带电荷随时间变化的表达式。,大气的介电常数1， 取全球表面大气总电导率的平均值2.1*104 s1，由上式便可求得弛豫时间，=380s6. 3min.,若金属球所带电荷分别递减为初始电荷值的百分之一和千分之一时，则由上式可求得所需时间分别28min和43min.由此可见，暴露于干洁大气中的带电金属球约经过三、四十分钟，金属球携带的电荷便几乎全部消失了。,2.大气离子形成 大气离子的形成是由于大气中存在电离过程。在电离源的作用下，当大气分子吸收的外来能量超过电离能时，分子的外层电子即可逸出而形成游离电子。形成带正电的分子和游离电子.,大气分子所逸出的游离电子，又迅速与其周围中性大气分子相结合，形成带负电的大气分子。 大气分子俘获电子的这一过程可表示为,M+eM M表示带有一个负元 电荷的大气分子.,负离子的形成,上两式表明，中性大气分子在电离源的作用下，最后形成了一对分别带有一个正、负元电荷的带电分子.这些带电分子一般不是以单个分子的形式存在，而是在其周围吸附了几个至几十个中性分子，以分子团的形式存在。,大气中存在大量气溶胶粒子，大气中所形成的带电分子，又通过与其周围气溶胶粒子的碰撞过程，使气溶胶粒子带上正、负电荷。形成较大的大气离子. 气洛胶粒子的半径范围大部分在106 cm数量级至103 cm数量级之间，半径小于106 cm数量级的超微粒子，以及半径大于103 cm数量级的特大粒子也有一定数量。 大气离子的尺度范围比较宽广。不过，实际观侧表明，大气离子的尺度一般不超过105 cm数量级。,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1.60210-19C，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10-810-5 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,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,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。,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，他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,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。 一般轻离子的迁移率比重离子的迁移率要大两个数量级。 通常情况下，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，如氢离子的迁移率为干空气的4倍多，为二氧化碳的9倍多。 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122V-1S-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。,2.5大气离子的时空分布,1. 大气轻离子 陆地表面 大气正轻离子浓度的平均值为750cm3 大气负轻离子浓度的平均值为650cm3 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,一、大气离子浓度随地点变化,2. 大气重离子 大气重离子浓度约从102 cm3至104 cm3数量级 一般而言，陆地表面大气重离子浓度大于大气轻离子浓度。不过，由于大气重离子浓度因时、因地变化较大，因此，难以确定其平均值的大小。 与大气轻离子的情况相似.大气正重离子浓度与大气负重离子浓度的比值略大于1，平均约为1.10,二、大气离子浓度随高度的差异,大气离子浓度随高度分布与大气电离率和气溶胶含量随高度的分布有关。 在12km高度以上的大气中，大气电离率随高度递增 至1015km高度，达极大值，然后随高度递减 大气电离率随高度分布还与地磁纬度有关,三、大气离子的日变化,大气离子的日变化与大气气溶胶含量的日变化密切相关， 陆地上大气离子浓度也有明显的日变化 大气轻离子浓度通常在后半夜出现极大值，中午前后出现极小值，日落后出现第二个极大值。 大气重离子的日变化规律则相反，通常中午前后出现极大值，而在日出前和日落后出现极小值。 在海上，大气气溶胶浓度日变化很小，所以大气离子的日变化也小,