电冻结过程等

#daqididnxueyuqihdu大气电学与气候daqidicnxueheridiguanxi大气电学和日地关系（AtmosphericelectricityandSolarTerrestrialrelation）这是一个探索领域，研究太阳活动通过对全球大气电参数调制来影响天气、气候的途径和规律。发展史太阳活动包括太阳黑子、耀斑、太阳磁扇边界等。太阳活动和地球上天气、气候变化之间的相关性称作“日地关系”。大量史前、史后的事实证明，二者之间有很好相关性。“日地关系”研究已延属一个世纪之久，但至今尚属争论，其一是相关性不唯一，其二是缺乏能被接受的耦合机制。因太阳活动只能引起太阳总辐射 0.1－0.2％变化，用加热机制无法解释；太阳活动能引起高层大气特性变化，但高、低层之间能量耦合很微弱，且还存在时间匹配问题。近30年来，科学家开始注意到太阳活动通过对全球大气电参量的调制作用来影响天气、气候变化的过程。对于太阳活动参数、大气电参数、天气参数之间的相关性进行了大量统计分析。并就可能的耦合机理作了初步探讨，但尚未建立可以被完全接受的理论。观测统计事实太阳黑子数增多导致进入地球大气的银河宇宙线强度显著减小（“福波希减少”），呈现极好反相关。太阳耀斑爆发，使太阳磁场和紫外辐射增强（平均约增加 20－30％），进入大气的太阳风高能粒子快速增加。这些太阳活动载体总体作用结果，使全球平均大气电离度、电导率相应减小。但耀斑爆发期间，中层大气电导率显著增加，尤其是在高纬度地区。大气电场强度增大，峰值约出现在耀斑爆发后数日，随耀斑等级和地区差异而不同，在高纬地区尤为明显。全球气－地电流也发生相应变化：在高纬地区减弱，中低纬地区增强。太阳黑子数、耀斑爆发和雷暴频数呈现较好相关性，高中纬度为正相关，低纬度为负相关。尤其是耀斑爆发后，雷暴频数峰值出现的日期约滞后于大气电场峰值出现日期数日。这说明太阳活动可能通过影响大气电参数来影响雷暴活动。冬天涡旋面积指数VAI（定义为北半球500hPa处绝对涡度大于2.4X10-5/s的区域面积，它表征低压槽深度和气旋强度）与太阳活动有较好的负相关性。在某些中纬度地区，统计发现地面气温与太阳黑子数呈负相关。平流层冬天温度距平，大气臭氧含量和太阳黑子数之间呈现很好的正相关，且这些统计关系与平流层低层风场准二年振荡QBO的形式有关，一般西风型相关性好，信度0.95的相关系数达到0.7。上述相关性呈现地区性特点，且有较大不确切性，但从全球大量的统计工作来看，上述相关性基本存在。机制研究从大气电学角度研究耦合相关机理，关键是能量较量问题。太阳活动主要载体是太阳辐射高能粒子流（主要是质子），紫外线和太阳风磁场。地球响应参数是全球大气电参数、大气臭氧、地球磁场以及地球运动参数等。研究上述参量之间的耦合机制的一个基本点是微弱的太阳活动输入在相关区如何被放大？来自太阳影响大气的主要能量是太阳总辐射，而红外－紫外波段能量是总辐射的10-3倍。太阳活动引起20－30％紫外辐射变化可以影响平流层中臭氧含量和温压结构，但如何影响对流层大气活动还存在一个耦合问题。太阳活动的电输入很弱，是总辐射的10-9倍，进入地球的高能粒子能被大气吸收的能量通量是10-10J/(cm2•s),而能导致对流层动力产生明显变化所需能量通量为10-3J/(cm2•s),二者相差107倍。即电参数变化若能影响天气过程，提出的耦合机制必须有 107倍能量放大因子。此外，太阳活动的电输入实质上是导致大气电能的重新分布，在某些不稳定敏感区域会产生触发作用而放大能量。耦合机制一般有二类，一类是通过影响平流层中臭氧含量来改变平流层温度结构。臭氧是平流层主要热源，臭氧产生取决于紫外辐射，消失依赖于大气电离度和一氧化氮含量。该机制研究尚停留在定性描述上，缺乏较系统理论。第二类是通过影响全球雷暴活动来影响天气过程。太阳活动使云顶以上大气电导率和大气电场增强，使更多的离子电荷和极性气溶胶电荷进入云内，连续性原理使云内电场被放大，为云内某些重要起电机制(例如感应起电)提供更大的背景电场，从而使云起电率增强，云的电能一方面可以产生较强的垂直涡度，增强云的动力过程，另一方面通过“电冻结”过程使初始冰核浓度量级增加，通过“贝吉隆过程”和重力碰撞释放大量潜热，云中能量被放大。雷暴增强，尤其是高、低纬区雷暴增强，可以加强哈特雷环流，从而影响区域性气候变化，该理论目前仍停留在较完整的定性描述上，尚无足够定量数据。动向随着遥感技术发展，探测资料日益增多，“日地关系”研究将向更加深入、综合和理论化方面发展。应注意三个方面：① 影响问题应在太阳—地球物理和大气科学整体范围内讨论，事实必须充分。②更多工作应注重于物理模式和机制研究。③研究资料必须被扩展和加强。shandimchjnsheng闪电产生NOx（AtmosphericNOxproducedbylightning）NOx对大气中的光化学反应以及对流层和平流层中的臭氧浓度起影响作用。臭氧是平流层的热源，对太阳辐射敏感，臭氧浓度变化将敏感影响大气对太阳辐射的吸收以及平流层热源变化。 NOx对大气中OH浓度变化也有影响作用，可以直接产生OH,也可以通过O3产生。而大气中OH变化对于水汽分布、云的形成影响很大。NOx又可以影响大气中很多物质的氧化能力，尤其在对流层上层，由于NOx生命期较长，所以影响作用更大。大气中的NO（主要是NO,在近地面主要由人类活动产生，平均每年约产生60X1012g/年，而自然生物、土壤约产生200X1012g/年。近地面产生的氮氧化物生命期很短约几小时,大部份在源区消失,输送出源区尤其被带到对流层上层很少。很多观测指出,上层对流层中NQ浓度较高，尤其是在雷暴和闪电活动区，主要成份是 NO（占75—95%）,以及少量NO。NO的生命期也较长约7天，其影响作用显然比近地面NOx作用大得多。这说明上层对流层中NOx主要来自自然源，且与闪电活动有关。平流层向下输送较少，全球约 V0.4X1012g/年，用符号LNQ表示闪电产生的NQ。对于LNQ全球估算有较大不确切性,不同学者采用不同方法得到不同结果,平均而言,全球估算LNQ为1—100X1012g/年。LNOx最早由VonLeibig（1857）提出，但只是近30年来有较大研究进展。从野外测量、室内试验和理论计算三个方面来研究 LNQx机理和传输过程，从计算闪电能量着手，估算1次闪电产生NQ量，以及全球闪电的产生量，并对计算过程中某些参量的不确切性作了讨论。利用三维积云模式模拟计算雷暴内LNQx的时空演变。这些研究较准确地解释了LNQ的机理：快速放电使闪电通道温度高达3X104K0,及几个大气压高压，通道内氮和氧分子已完全电离，产生化学反应，显著地改变了通道空气化学成份，NQ尤其是NQ被产生，并处于不断地反应变化过程之中。当放电结束，通道快速冷却，和通道外冷空气发生激烈快速湍流混合，并伴随产生冲击波，通道向外膨胀。当通道温度降低到约3000°K时（约1ms时间），产生的NQ被“冻结”，达到动态平衡，并通过湍流输送过程向通道外弥散，一般可传输几米—几十米。计算一次闪电NQ的产生量，敏感依赖所选择的高温化学反应式，不同人的不同选择，结果有较大差别。动向尽管LNQ机制已很清楚，但其定量计算有较多不确切性，例如一次闪电产生的能量，单位闪电能量产生NQ量，全球平均闪电频数等。今后的研究需尽量减小这些不确切性，并注意以下四个方面：①NQ在通道内外的输送，不同高度之间的输送，平流层和对流层之间的输送。②精确计算雷暴产生NQ量（局地和全球），③NQ的平流输送。④LNQ对上部对流层，下部平流层的大气化学反应，温度场的影响。didndcngjieguochmg电冻结过程(Electrofreezingprocess)这是一种由于电作用而发生的“冻结”过程。云内初始冰晶胚胎首先是通过气溶胶冰核和过冷小水滴接触冻结而成，然后才是相变和碰冻过程。气溶胶可以触发核化过程，降低核化对过饱和度要求。当气溶胶和过冷水滴携带上不同极性电荷时，能大大地增强相互之间的吸附力。很多实验指出，极性吸附率有量级增加。此外，二者在吸附接触瞬间，接触点附近会产生微观强电场，从而形成一股细导电水流，接触点会被很快冻结而形成初始冰晶。此过程称为“电冻结”过程。它能增强接触冰核的成核能力，并使初始冰晶浓度大大地增加，然后通过“贝吉隆”和碰并过程而改变云中相态分布，大量释放潜热而放大能量。如果由于某种原因(例如太阳活动)使大量中性气溶胶变成极性气溶胶，并使过冷水滴带上某种极性电荷，则通过“电冻结”过程可以量级增加初始冰晶浓度，进一步通过其它相变过程，释放潜热，增加云体能量。在人工影响天气研究领域，在“日地关系”研究领域，“电冻结”过程有广泛应用前景。目前此概念还停留在定性描述上，今后的研究方向是逐步定量化。sh口mengOngzh6舒曼共振(Schumannresonance)闪电产生频带很宽的电磁辐射，在地表－电离层间的地球波导内传输，对于波长等于地球周长或其整数倍的低频零级电磁波，地球波导相当于一个谐振腔，闪电辐射信号被谐振放大称为“舒曼共振”，其频率约为7.5，15，22.5，30,,赫兹。在地球上任一处可以测量到“舒曼磁场”。谐波分析指出，对于理想平面波导，闪电辐射场零级波形是一个垂直电分量即电离层电位。而电离层电位是全球闪电活动结果。全球闪电活动与全球电路谐振腔的能量密度成正比，即与“舒曼磁场”幅度平方成正比。因此，地球上任一测站测量的舒曼共振零级磁场（7.5Hz频率）波幅度强度