電凍結(jié)過(guò)程等

#daqididnxueyuqihdu大氣電學(xué)與氣候daqidicnxueheridiguanxi大氣電學(xué)和日地關(guān)系（AtmosphericelectricityandSolarTerrestrialrelation）這是一個(gè)探索領(lǐng)域，研究太陽(yáng)活動(dòng)通過(guò)對(duì)全球大氣電參數(shù)調(diào)制來(lái)影響天氣、氣候的途徑和規(guī)律。發(fā)展史太陽(yáng)活動(dòng)包括太陽(yáng)黑子、耀斑、太陽(yáng)磁扇邊界等。太陽(yáng)活動(dòng)和地球上天氣、氣候變化之間的相關(guān)性稱(chēng)作“日地關(guān)系”。大量史前、史后的事實(shí)證明，二者之間有很好相關(guān)性。“日地關(guān)系”研究已延屬一個(gè)世紀(jì)之久，但至今尚屬爭(zhēng)論，其一是相關(guān)性不唯一，其二是缺乏能被接受的耦合機(jī)制。因太陽(yáng)活動(dòng)只能引起太陽(yáng)總輻射 0.1－0.2％變化，用加熱機(jī)制無(wú)法解釋?zhuān)惶?yáng)活動(dòng)能引起高層大氣特性變化，但高、低層之間能量耦合很微弱，且還存在時(shí)間匹配問(wèn)題。近30年來(lái)，科學(xué)家開(kāi)始注意到太陽(yáng)活動(dòng)通過(guò)對(duì)全球大氣電參量的調(diào)制作用來(lái)影響天氣、氣候變化的過(guò)程。對(duì)于太陽(yáng)活動(dòng)參數(shù)、大氣電參數(shù)、天氣參數(shù)之間的相關(guān)性進(jìn)行了大量統(tǒng)計(jì)分析。并就可能的耦合機(jī)理作了初步探討，但尚未建立可以被完全接受的理論。觀測(cè)統(tǒng)計(jì)事實(shí)太陽(yáng)黑子數(shù)增多導(dǎo)致進(jìn)入地球大氣的銀河宇宙線(xiàn)強(qiáng)度顯著減小（“福波希減少”），呈現(xiàn)極好反相關(guān)。太陽(yáng)耀斑爆發(fā)，使太陽(yáng)磁場(chǎng)和紫外輻射增強(qiáng)（平均約增加 20－30％），進(jìn)入大氣的太陽(yáng)風(fēng)高能粒子快速增加。這些太陽(yáng)活動(dòng)載體總體作用結(jié)果，使全球平均大氣電離度、電導(dǎo)率相應(yīng)減小。但耀斑爆發(fā)期間，中層大氣電導(dǎo)率顯著增加，尤其是在高緯度地區(qū)。大氣電場(chǎng)強(qiáng)度增大，峰值約出現(xiàn)在耀斑爆發(fā)后數(shù)日，隨耀斑等級(jí)和地區(qū)差異而不同，在高緯地區(qū)尤為明顯。全球氣－地電流也發(fā)生相應(yīng)變化：在高緯地區(qū)減弱，中低緯地區(qū)增強(qiáng)。太陽(yáng)黑子數(shù)、耀斑爆發(fā)和雷暴頻數(shù)呈現(xiàn)較好相關(guān)性，高中緯度為正相關(guān)，低緯度為負(fù)相關(guān)。尤其是耀斑爆發(fā)后，雷暴頻數(shù)峰值出現(xiàn)的日期約滯后于大氣電場(chǎng)峰值出現(xiàn)日期數(shù)日。這說(shuō)明太陽(yáng)活動(dòng)可能通過(guò)影響大氣電參數(shù)來(lái)影響雷暴活動(dòng)。冬天渦旋面積指數(shù)VAI（定義為北半球500hPa處絕對(duì)渦度大于2.4X10-5/s的區(qū)域面積，它表征低壓槽深度和氣旋強(qiáng)度）與太陽(yáng)活動(dòng)有較好的負(fù)相關(guān)性。在某些中緯度地區(qū)，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)地面氣溫與太陽(yáng)黑子數(shù)呈負(fù)相關(guān)。平流層冬天溫度距平，大氣臭氧含量和太陽(yáng)黑子數(shù)之間呈現(xiàn)很好的正相關(guān)，且這些統(tǒng)計(jì)關(guān)系與平流層低層風(fēng)場(chǎng)準(zhǔn)二年振蕩QBO的形式有關(guān)，一般西風(fēng)型相關(guān)性好，信度0.95的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.7。上述相關(guān)性呈現(xiàn)地區(qū)性特點(diǎn)，且有較大不確切性，但從全球大量的統(tǒng)計(jì)工作來(lái)看，上述相關(guān)性基本存在。機(jī)制研究從大氣電學(xué)角度研究耦合相關(guān)機(jī)理，關(guān)鍵是能量較量問(wèn)題。太陽(yáng)活動(dòng)主要載體是太陽(yáng)輻射高能粒子流（主要是質(zhì)子），紫外線(xiàn)和太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)。地球響應(yīng)參數(shù)是全球大氣電參數(shù)、大氣臭氧、地球磁場(chǎng)以及地球運(yùn)動(dòng)參數(shù)等。研究上述參量之間的耦合機(jī)制的一個(gè)基本點(diǎn)是微弱的太陽(yáng)活動(dòng)輸入在相關(guān)區(qū)如何被放大？來(lái)自太陽(yáng)影響大氣的主要能量是太陽(yáng)總輻射，而紅外－紫外波段能量是總輻射的10-3倍。太陽(yáng)活動(dòng)引起20－30％紫外輻射變化可以影響平流層中臭氧含量和溫壓結(jié)構(gòu)，但如何影響對(duì)流層大氣活動(dòng)還存在一個(gè)耦合問(wèn)題。太陽(yáng)活動(dòng)的電輸入很弱，是總輻射的10-9倍，進(jìn)入地球的高能粒子能被大氣吸收的能量通量是10-10J/(cm2?s),而能導(dǎo)致對(duì)流層動(dòng)力產(chǎn)生明顯變化所需能量通量為10-3J/(cm2?s),二者相差107倍。即電參數(shù)變化若能影響天氣過(guò)程，提出的耦合機(jī)制必須有 107倍能量放大因子。此外，太陽(yáng)活動(dòng)的電輸入實(shí)質(zhì)上是導(dǎo)致大氣電能的重新分布，在某些不穩(wěn)定敏感區(qū)域會(huì)產(chǎn)生觸發(fā)作用而放大能量。耦合機(jī)制一般有二類(lèi)，一類(lèi)是通過(guò)影響平流層中臭氧含量來(lái)改變平流層溫度結(jié)構(gòu)。臭氧是平流層主要熱源，臭氧產(chǎn)生取決于紫外輻射，消失依賴(lài)于大氣電離度和一氧化氮含量。該機(jī)制研究尚停留在定性描述上，缺乏較系統(tǒng)理論。第二類(lèi)是通過(guò)影響全球雷暴活動(dòng)來(lái)影響天氣過(guò)程。太陽(yáng)活動(dòng)使云頂以上大氣電導(dǎo)率和大氣電場(chǎng)增強(qiáng)，使更多的離子電荷和極性氣溶膠電荷進(jìn)入云內(nèi)，連續(xù)性原理使云內(nèi)電場(chǎng)被放大，為云內(nèi)某些重要起電機(jī)制(例如感應(yīng)起電)提供更大的背景電場(chǎng)，從而使云起電率增強(qiáng)，云的電能一方面可以產(chǎn)生較強(qiáng)的垂直渦度，增強(qiáng)云的動(dòng)力過(guò)程，另一方面通過(guò)“電凍結(jié)”過(guò)程使初始冰核濃度量級(jí)增加，通過(guò)“貝吉隆過(guò)程”和重力碰撞釋放大量潛熱，云中能量被放大。雷暴增強(qiáng)，尤其是高、低緯區(qū)雷暴增強(qiáng)，可以加強(qiáng)哈特雷環(huán)流，從而影響區(qū)域性氣候變化，該理論目前仍停留在較完整的定性描述上，尚無(wú)足夠定量數(shù)據(jù)。動(dòng)向隨著遙感技術(shù)發(fā)展，探測(cè)資料日益增多，“日地關(guān)系”研究將向更加深入、綜合和理論化方面發(fā)展。應(yīng)注意三個(gè)方面：① 影響問(wèn)題應(yīng)在太陽(yáng)—地球物理和大氣科學(xué)整體范圍內(nèi)討論，事實(shí)必須充分。②更多工作應(yīng)注重于物理模式和機(jī)制研究。③研究資料必須被擴(kuò)展和加強(qiáng)。shandimchjnsheng閃電產(chǎn)生NOx（AtmosphericNOxproducedbylightning）NOx對(duì)大氣中的光化學(xué)反應(yīng)以及對(duì)流層和平流層中的臭氧濃度起影響作用。臭氧是平流層的熱源，對(duì)太陽(yáng)輻射敏感，臭氧濃度變化將敏感影響大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收以及平流層熱源變化。 NOx對(duì)大氣中OH濃度變化也有影響作用，可以直接產(chǎn)生OH,也可以通過(guò)O3產(chǎn)生。而大氣中OH變化對(duì)于水汽分布、云的形成影響很大。NOx又可以影響大氣中很多物質(zhì)的氧化能力，尤其在對(duì)流層上層，由于NOx生命期較長(zhǎng)，所以影響作用更大。大氣中的NO（主要是NO,在近地面主要由人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生，平均每年約產(chǎn)生60X1012g/年，而自然生物、土壤約產(chǎn)生200X1012g/年。近地面產(chǎn)生的氮氧化物生命期很短約幾小時(shí),大部份在源區(qū)消失,輸送出源區(qū)尤其被帶到對(duì)流層上層很少。很多觀測(cè)指出,上層對(duì)流層中NQ濃度較高，尤其是在雷暴和閃電活動(dòng)區(qū)，主要成份是 NO（占75—95%）,以及少量NO。NO的生命期也較長(zhǎng)約7天，其影響作用顯然比近地面NOx作用大得多。這說(shuō)明上層對(duì)流層中NOx主要來(lái)自自然源，且與閃電活動(dòng)有關(guān)。平流層向下輸送較少，全球約 V0.4X1012g/年，用符號(hào)LNQ表示閃電產(chǎn)生的NQ。對(duì)于LNQ全球估算有較大不確切性,不同學(xué)者采用不同方法得到不同結(jié)果,平均而言,全球估算LNQ為1—100X1012g/年。LNOx最早由VonLeibig（1857）提出，但只是近30年來(lái)有較大研究進(jìn)展。從野外測(cè)量、室內(nèi)試驗(yàn)和理論計(jì)算三個(gè)方面來(lái)研究 LNQx機(jī)理和傳輸過(guò)程，從計(jì)算閃電能量著手，估算1次閃電產(chǎn)生NQ量，以及全球閃電的產(chǎn)生量，并對(duì)計(jì)算過(guò)程中某些參量的不確切性作了討論。利用三維積云模式模擬計(jì)算雷暴內(nèi)LNQx的時(shí)空演變。這些研究較準(zhǔn)確地解釋了LNQ的機(jī)理：快速放電使閃電通道溫度高達(dá)3X104K0,及幾個(gè)大氣壓高壓，通道內(nèi)氮和氧分子已完全電離，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，顯著地改變了通道空氣化學(xué)成份，NQ尤其是NQ被產(chǎn)生，并處于不斷地反應(yīng)變化過(guò)程之中。當(dāng)放電結(jié)束，通道快速冷卻，和通道外冷空氣發(fā)生激烈快速湍流混合，并伴隨產(chǎn)生沖擊波，通道向外膨脹。當(dāng)通道溫度降低到約3000°K時(shí)（約1ms時(shí)間），產(chǎn)生的NQ被“凍結(jié)”，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，并通過(guò)湍流輸送過(guò)程向通道外彌散，一般可傳輸幾米—幾十米。計(jì)算一次閃電NQ的產(chǎn)生量，敏感依賴(lài)所選擇的高溫化學(xué)反應(yīng)式，不同人的不同選擇，結(jié)果有較大差別。動(dòng)向盡管LNQ機(jī)制已很清楚，但其定量計(jì)算有較多不確切性，例如一次閃電產(chǎn)生的能量，單位閃電能量產(chǎn)生NQ量，全球平均閃電頻數(shù)等。今后的研究需盡量減小這些不確切性，并注意以下四個(gè)方面：①NQ在通道內(nèi)外的輸送，不同高度之間的輸送，平流層和對(duì)流層之間的輸送。②精確計(jì)算雷暴產(chǎn)生NQ量（局地和全球），③NQ的平流輸送。④LNQ對(duì)上部對(duì)流層，下部平流層的大氣化學(xué)反應(yīng)，溫度場(chǎng)的影響。didndcngjieguochmg電凍結(jié)過(guò)程(Electrofreezingprocess)這是一種由于電作用而發(fā)生的“凍結(jié)”過(guò)程。云內(nèi)初始冰晶胚胎首先是通過(guò)氣溶膠冰核和過(guò)冷小水滴接觸凍結(jié)而成，然后才是相變和碰凍過(guò)程。氣溶膠可以觸發(fā)核化過(guò)程，降低核化對(duì)過(guò)飽和度要求。當(dāng)氣溶膠和過(guò)冷水滴攜帶上不同極性電荷時(shí)，能大大地增強(qiáng)相互之間的吸附力。很多實(shí)驗(yàn)指出，極性吸附率有量級(jí)增加。此外，二者在吸附接觸瞬間，接觸點(diǎn)附近會(huì)產(chǎn)生微觀強(qiáng)電場(chǎng)，從而形成一股細(xì)導(dǎo)電水流，接觸點(diǎn)會(huì)被很快凍結(jié)而形成初始冰晶。此過(guò)程稱(chēng)為“電凍結(jié)”過(guò)程。它能增強(qiáng)接觸冰核的成核能力，并使初始冰晶濃度大大地增加，然后通過(guò)“貝吉隆”和碰并過(guò)程而改變?cè)浦邢鄳B(tài)分布，大量釋放潛熱而放大能量。如果由于某種原因(例如太陽(yáng)活動(dòng))使大量中性氣溶膠變成極性氣溶膠，并使過(guò)冷水滴帶上某種極性電荷，則通過(guò)“電凍結(jié)”過(guò)程可以量級(jí)增加初始冰晶濃度，進(jìn)一步通過(guò)其它相變過(guò)程，釋放潛熱，增加云體能量。在人工影響天氣研究領(lǐng)域，在“日地關(guān)系”研究領(lǐng)域，“電凍結(jié)”過(guò)程有廣泛應(yīng)用前景。目前此概念還停留在定性描述上，今后的研究方向是逐步定量化。sh口mengOngzh6舒曼共振(Schumannresonance)閃電產(chǎn)生頻帶很寬的電磁輻射，在地表－電離層間的地球波導(dǎo)內(nèi)傳輸，對(duì)于波長(zhǎng)等于地球周長(zhǎng)或其整數(shù)倍的低頻零級(jí)電磁波，地球波導(dǎo)相當(dāng)于一個(gè)諧振腔，閃電輻射信號(hào)被諧振放大稱(chēng)為“舒曼共振”，其頻率約為7.5，15，22.5，30,,赫茲。在地球上任一處可以測(cè)量到“舒曼磁場(chǎng)”。諧波分析指出，對(duì)于理想平面波導(dǎo)，閃電輻射場(chǎng)零級(jí)波形是一個(gè)垂直電分量即電離層電位。而電離層電位是全球閃電活動(dòng)結(jié)果。全球閃電活動(dòng)與全球電路諧振腔的能量密度成正比，即與“舒曼磁場(chǎng)”幅度平方成正比。因此，地球上任一測(cè)站測(cè)量的舒曼共振零級(jí)磁場(chǎng)（7.5Hz頻率）波幅度強(qiáng)度