全球电路与雷雨云电荷输送的关系

全球电路概念是在电导大气的基础上产生的，在地球上局部的雷电过程可以通过电离层和地球的电传导作用而遍及全球，它对维持晴天大气电场起重要作用。在晴天，大气中存在方向垂直向下的电场，大气带正电荷，而地球带等量的负电荷，大气的电导率随高度增加而增加，大约到50km高度处，即电离层，大气对于缓变的电信号成为很好的导体，无线电波被反射。在晴天大气区域，电离层与地球之间的电压约为300V，为维持这电压，地球表面需荷约106C的负电荷，而整个大气则需荷等量的正电荷。由于大气离子的存在，大气本身有弱的导电特性，在晴天大气中，大气电流的量级约为1000A，消耗大气和地球的电荷，如图1-13所示。大气中存在复杂的电过程，主要有：在大气电场作用下，正离子向下运动，形成晴天大气传导电流，将大气中的正电荷输送给地球；同时，地面的负电荷向上运动与向下的正电荷中和。如果无相反的电荷输送，晴天大气电场会很快消失，但是，实际大气电场是稳定的，这说明大气中必定有一与晴天大气电相反方向的电荷输送。

图1-13　大气中的电过程

1.全球大气的球形电容器模型

全球大气电路的经典图像是球形电容器图像，由于土壤电导率与大气电离层的电导率都比低层大气电导率大10个数量级左右，所以可把地球表面和大气电离层看作导体。即可将大气-地球系统看作以地球表面和电离层为两极，以大气对流层、平流层为电介质的球形电容器模型。白天电离层下界面高约60km，晚上约为100km，故一般取其平均值80km。在这两个电极之间的大气具有随高度呈指数增加的电导率，由全球雷暴所产生的正电流向上流到电离层，使电离层相对于地面具有几千千伏的正电位，从而维持晴天大气电场。由于大气有一定的电导率，故正电荷通过大气由电离层向地球流动，然后再由地面流回到积雨云而完成电流环路。图1-14给出了全球大气电过程的球形电容器模型。在全球电路的研究中，最重要的课题之一就是对电源的研究。在全球电路的经典图像和近来发展的现代图像中，雷暴都是作为主要的电流源。雷暴提供的向上正电流由云顶流向电离层，又由地面流向云底。从雷暴云上空飞机测量数据可知，每个雷暴向上的充电电流为0.1～6A，平均为0.5～1A。全球雷暴的统计并不确切，最近的估计为全球每个时刻有1500～3000个雷暴，故全球雷暴总的充电电流为750～3000A。雷暴在全球电路中的作用相当于电池，是把正、负电荷分开的机制。这种正负电荷的分离是由其他机械能如对流、沉降等提供能量来实现的。

图1-14　全球大气电过程的球形电容器模型

综合考虑全球大气电平衡过程，晴天大气电流不断使球形电容器正负极携带的电荷减小，形成泄放电流；同时，由全球雷暴活动导致的尖端放电电流及云地闪电电流将形成补偿电流，从而使大地地表所携带的电荷保持不变。(www.xing528.com)

球形电容器模型表明，全球充放电是相互制约、自动调整的。例如，当全球雷暴活动较强时，充电过程加强，此时补偿电流加大，使球形电容器携带电荷增多，并导致整层晴天大气电位差和晴天大气电流增大，于是泄放电流随之增大，这就导致了球形电容器所携带电荷减小，直至全球重新达到电平衡。全球大气电过程的球形电容器模型虽能解释许多电过程，但由于缺乏大量而可靠的全球大气电学的测量结果对此模拟加以验证，所以到目前为止球形电容器模型仍是一个假设。

2.地球与雷雨云之间的电荷输送

威尔逊指出，全球雷暴活动是维持大气与地球间电荷输送平衡的基本原因，他认为，每一次雷雨云是一台发电机，以补偿大气正电荷不断向地面泄漏。电荷的输送有以下几种过程：①雷雨云具有将正、负电荷分离的机制，在云的上部正电荷、下部负电荷，这种电荷分离相当于形成向上的充电电流，而云内的电导率决定了云内的泄漏电流；②由于雷暴顶部的正电荷作用，在云之上大气的电场方向与晴天大气电场相反，由于自由电荷随高度是增加的，方向向上的电流是由向下的负电荷造成的；③云下的电场与晴天电场方向相反，电流是由电场作用下的传导电流，也可以是强对流产生的对流电流，正电荷源是地面的尖端电晕放电；④在云下，雷暴的闪电形成充电电流、降水电流、尖端电流等电荷输送过程。

（1）晴天大气电流输送的电量。观测表明，全球表面晴天大气电场数值相当稳定，即地球带负电荷，晴天大气电流将大气中的正电荷输送给地面，晴天大气电流的输送的电荷通量密度为35～120C/（km2·a），如若全球晴天大气电流强度为1500A，则可以求得晴天大气电流输送的电荷通量密度为90C/（km2·a）。

（2）闪电电流输送的电量。地闪闪电电流的电荷输送过程是指地闪闪电电流将云中的电荷输送给地球大气的放电过程。在多数状况下，地闪为发生在积雨云下部的负电荷与大气之间的放电过程，因此地闪电流向地球输送电荷，据估计地闪电流向大地输送的电荷通量密度为-5～-45C/（km2·a）。若全球每秒发生100次闪电，其中地闪约占15%，每次地闪向地球输送的负电荷为-20C，于是全球每秒地闪输送给大地的负电荷为-300C，由此可求出地闪闪电电流的输送的电荷通量密度为-20C/（km2·a）左右。在中高纬度地区，地闪占整个放电的40%，而低纬雷暴频繁，地闪只占10%，如一个雷暴在20min内平均产生3次闪电，则一个雷暴的有效电流为1A，若全球平均100个闪电/s，其中10%为地闪，则总电流相当于300A，仅为晴天电流的几分之一。对于雷暴中发生的负地闪，电流方向向上，每一雷暴的平均电流为0.5A，则为了平衡全球晴天电流1800A，全球将有3600个雷暴或荷电活动中心在同一时刻活动着。如果每一雷暴的平均电流为1.3A，则只需1400个活动雷暴。

（3）尖端放电电流输送的电量。在积雨云强电场的作用下，尖端物产生的尖端放电电流将大气中的电荷进行输送。尖端放电电流可正可负，但是平均而言，尖端放电电流密度为负，即尖端放电电流密度的方向垂直向上，尖端放电电流将大气中的负电荷输送给地球，尖端放电电流输送的电荷通量密度为-5～-300C/（km2·a）。尖端放电电流与地闪电流输送相同极性的电荷，将补偿因晴天大气电流和降水电流所中和的负电荷，维持地球携带负电荷。

（4）降水输送的电量。降水携带不同极性和大小的电荷量向下形成降水电流，将电荷输送给地球，观测得出降水有时带正电荷，有时带负电荷，带正电的和带负电的降水是充分混合的，即使在短暂的时间间隔内，也只是偶然才出现所有降水带一种符号电荷的情况，在各种类型的降水中，带正电的雨量大于带负电的雨量，形成净一的正电荷向地面输送；低压的稳定性降水主要带正电荷，雷暴的强降水中心处的降水带正电荷。虽然云底附近负电荷占优势，而雷暴下的地面为负电场，实际输送给地面的是正电荷。降水电荷的观测通常是使雨滴相继通过两个绝缘金属环的方法测量电荷，这时在金属环中感生的脉冲振幅就是雨滴电荷的量，而通过两脉冲的时间间隔就可得出降水雨滴的降落速率，对于小雨滴降水速率与它的大小有关。另一种观测方法是用平板电容器作为高频振荡器的一部分，当雨滴下落至垂直放置的两平板组成的电容器之间时，将引起电容量的突变，于是高频振荡器的振荡频率发生变化，从而出现指示雨滴的大小、荷电量和降落速度以及雨滴质量的脉冲通过示波器显示，同时对电场和尖端电流的测量。结果发现当取样间隔为2min时，在同样大小的雨滴上的电荷量变化相差很大，但对一定大小的雨滴上的平均电荷量却表现有系统性，小雨滴上的电荷符号与电势梯度相反，而大雨滴上却相同。观测表明，降水电流值的范围为10-16～10-11A·cm2，其中雷暴降水的降水电流密度绝对值比其他各类降水电流密度的绝对值大得多。此外，各类降水的降水电流密度时正时负，平均而言，降水电流密度为正，即降水电流密度方向垂直向下，这表明降水电流将大气中的正电荷输送给地球，降水电流输送的电荷通量密度约为20～40C/（km2·a）。降水电流输送的电荷过程与晴天大气电流输送的电荷过程相同，都使地球携带的正电荷迅速消失。