LHAASO觀測(cè)站晴天大氣電場(chǎng)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(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 四川 成都 611756; 2. 西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 四川 成都 611756;3. 西南交通大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 四川 成都 611756)

0 引言

觀測(cè)表明,晴天大氣中始終存在方向垂直向下、數(shù)值相對(duì)穩(wěn)定的大氣電場(chǎng),即大氣相對(duì)于大地帶正電荷,而大地?cái)y帶負(fù)電荷[1].大氣電場(chǎng)是大氣電學(xué)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(dǎo)電性能,在大氣電場(chǎng)作用下,將產(chǎn)生晴天大氣傳導(dǎo)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(chǎng)逐漸減弱.要維持實(shí)驗(yàn)觀測(cè)中穩(wěn)定的晴天大氣電場(chǎng),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(fù)極)兩同心球面組成球形電容器,其間充滿了具有微弱導(dǎo)電性能的大氣介質(zhì).全球晴天大氣傳導(dǎo)電流為泄放電流,它的存在使電容器正、負(fù)極所攜帶的電荷因泄放而不斷減少;全球雷暴活動(dòng)所產(chǎn)生的補(bǔ)償電流(尖端放電電流和地閃閃電電流等)與晴天大氣傳導(dǎo)電流方向相反,以補(bǔ)償電容器不斷泄放的電荷,從而維持相對(duì)穩(wěn)定的晴天大氣電場(chǎng).自大氣電路概念提出以來,相關(guān)研究備受科學(xué)家的關(guān)注,觀測(cè)表明，雷暴活動(dòng)、起電的積雨云和中高層大氣瞬態(tài)發(fā)光事件等對(duì)全球電路都有一定的貢獻(xiàn)[3-4].

根據(jù)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(chǎng)的原因.晴天大氣電過程可近似看作準(zhǔn)靜態(tài)過程,根據(jù)歐姆定律可導(dǎo)出地面晴天大氣電場(chǎng)的表達(dá)式

(1)

將(1)式兩邊取對(duì)數(shù)后對(duì)時(shí)間t求導(dǎo),可得到地面晴天大氣電場(chǎng)相對(duì)變化

(2)

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

大氣電場(chǎng)的變化規(guī)律對(duì)研究全球大氣電路、氣候變化以及理解雷暴現(xiàn)象等至關(guān)重要.近年來,各地研究得到大氣電場(chǎng)的分布規(guī)律較為一致,但由于氣象條件、地理位置和環(huán)境污染等多種因素的影響,各地晴天大氣電場(chǎng)具有很強(qiáng)的地域性,不同地區(qū)大氣電場(chǎng)具體特征以及與氣象條件的相關(guān)性存在較大差異.李芳等[5]對(duì)2013—2015年山西省大氣電場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)8個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)大氣電場(chǎng)的日變化具有典型的大陸型雙峰雙谷結(jié)構(gòu),電場(chǎng)變化與大氣中SO2、PM2.5的濃度有較好的正相關(guān)性,與NO2、PM10的相關(guān)性較差或不相關(guān).劉暢等[6]分析了成都地區(qū)2009—2015年大氣電場(chǎng)資料,吳亭等[7]對(duì)北京地區(qū)不同天氣條件下大氣電場(chǎng)進(jìn)行了研究,均發(fā)現(xiàn)晴天大氣電場(chǎng)的日變化呈雙峰雙谷結(jié)構(gòu).徐斌等[8]對(duì)青藏高原地區(qū)大氣電場(chǎng)進(jìn)行了研究,得出近地晴天大氣電場(chǎng)的日變化與季節(jié)相關(guān).文獻(xiàn)[9-11]利用高海拔觀測(cè)站的大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù),研究了晴天大氣電場(chǎng)的分布規(guī)律.

晴天大氣電場(chǎng)的觀測(cè)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(huán)境污染和人類活動(dòng)等,難以對(duì)大氣電場(chǎng)的變化規(guī)律進(jìn)行全面分析.本工作利用高海拔宇宙線觀測(cè)站(large high altitude air shower observatory，LHAASO)的大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),研究晴天大氣電場(chǎng)的日分布規(guī)律,以及電場(chǎng)變化與氣象參量(溫度、濕度和風(fēng)速)的關(guān)聯(lián).本文的研究結(jié)果有利于了解LHAASO觀測(cè)站局地氣候和環(huán)境的變化,為研究雷暴天氣提供了信息,對(duì)促進(jìn)大氣物理與宇宙線物理交叉學(xué)科的前沿研究也具有重要的理論和實(shí)際意義.

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

位于中國(guó)四川省稻城縣海子山的LHAASO實(shí)驗(yàn)(海拔約4 410 m),包含3個(gè)子陣列,即1 km2、地面粒子探測(cè)器陣列(KM2A)、水切倫科夫探測(cè)器陣列(WCDA)和廣角大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列(WFCTA).該實(shí)驗(yàn)是世界上海拔最高、規(guī)模最大和靈敏度最強(qiáng)的地面宇宙射線探測(cè)裝置.為了監(jiān)測(cè)LHAASO觀測(cè)站大氣電場(chǎng)的變化,2019年9月17日在WCDA的2號(hào)水池屋頂安裝了一臺(tái)大氣電場(chǎng)儀EFM-100,量程為1 000 V/cm,可以方便地探測(cè)大氣電場(chǎng)強(qiáng)度和極性隨時(shí)間的變化.屋頂和探頭的高度對(duì)電場(chǎng)儀讀數(shù)具有一定的放大效應(yīng),本工作中的電場(chǎng)讀數(shù)尚未進(jìn)行標(biāo)定,測(cè)量所得的電場(chǎng)強(qiáng)度是相對(duì)值.

為了監(jiān)測(cè)LHAASO觀測(cè)站的環(huán)境,在20 m塔的不同高度處安裝了溫度、風(fēng)速、濕度和雨量等氣象參量的觀測(cè)系統(tǒng).本工作通過分析大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),研究晴天大氣電場(chǎng)的分布規(guī)律以及大氣電場(chǎng)的氣象效應(yīng).

研究晴天大氣電場(chǎng)需要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選,選出“符合晴天條件”的大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù).觀測(cè)表明,在晴朗天氣下(無降水)大氣相對(duì)于大地帶正電荷,電場(chǎng)值較低、波動(dòng)較小.本工作中晴天大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)所滿足的條件為：1) 大氣電場(chǎng)的極性為正;2) 大氣電場(chǎng)強(qiáng)度值在0～150 V/cm之間;3) 環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中“雨量”顯示為0.

2 結(jié)果與討論

2.1 晴天大氣電場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)分布受地面環(huán)境和氣象條件等因素的影響,晴天大氣電場(chǎng)并不是一個(gè)恒定不變的值,而是在一定范圍內(nèi)變化.統(tǒng)計(jì)2019年11月至2020年10月的大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)LHAASO觀測(cè)站的晴天大氣電場(chǎng)強(qiáng)度主要分布在1～10 V/cm范圍內(nèi),如圖1所示.可見,晴天大氣相對(duì)穩(wěn)定,大氣電場(chǎng)在較小的范圍內(nèi)波動(dòng).

圖1 LHAASO觀測(cè)站晴天大氣電場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)分布

2.2 晴天大氣電場(chǎng)的日變化受局地氣候的影響,晴天大氣電場(chǎng)存在太陽的周期變化.圖2是2019年10月11日至16日連續(xù)6天大氣電場(chǎng)隨時(shí)間的分布,2019年10月11日零點(diǎn)為時(shí)間起點(diǎn)，可以看出大氣電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)明顯的日周期性變化規(guī)律,其值在2～12 V/cm范圍內(nèi),一日之內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)兩次極大值(峰)和兩次極小值(谷).

圖2 晴天大氣電場(chǎng)隨時(shí)間的分布

為了得到更加清晰的周期性變化規(guī)律,本文統(tǒng)計(jì)2019年11月至2020年10月晴天大氣電場(chǎng)日變化的平均效應(yīng),如圖3所示.由圖3可知,LHAASO觀測(cè)站晴天大氣電場(chǎng)的日平均變化呈雙峰雙谷結(jié)構(gòu),第一個(gè)峰值出現(xiàn)在北京時(shí)間12:00,第二個(gè)峰值出現(xiàn)在18:00;第一個(gè)谷值出現(xiàn)在7:00,第二個(gè)谷值出現(xiàn)在13:00.

圖3 LHAASO觀測(cè)站晴天大氣電場(chǎng)的日平均變化

晴天大氣電場(chǎng)強(qiáng)度的日周期性變化主要和地方性大氣氣溶膠濃度有關(guān)[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(dǎo)電性.可見,大氣氣溶膠濃度增大會(huì)使大氣電場(chǎng)強(qiáng)度增加.結(jié)合(2)式,可解釋圖3中晴天大氣電場(chǎng)的日變化特征.日出后,太陽輻射逐漸增強(qiáng),低層大氣中的熱對(duì)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(dǎo)率下降,從而導(dǎo)致晴天大氣電場(chǎng)逐漸增加，并在上午12:00左右出現(xiàn)峰值.午時(shí)前后,由于低層大氣中熱對(duì)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(dǎo)率變化不明顯,導(dǎo)致晴天大氣電場(chǎng)在13:00出現(xiàn)谷值.午后至傍晚,低層大氣中熱對(duì)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(dǎo)率與晴天氣柱電阻減小,從而導(dǎo)致晴天大氣電場(chǎng)在18:00出現(xiàn)更強(qiáng)的峰值.到了深夜至日出前,低層大氣趨于穩(wěn)定,氣溶膠的含量逐漸減小,使晴天大氣電導(dǎo)率增加,電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸下降,在7:00左右再次出現(xiàn)谷值.

受全年氣候變化的影響,晴天大氣電場(chǎng)波動(dòng)范圍以及峰谷出現(xiàn)的時(shí)間范圍具有季節(jié)性差異.為分析大氣電場(chǎng)日變化的季節(jié)效應(yīng),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(jiǎn)稱夏季)和冬半年(簡(jiǎn)稱冬季)的晴天大氣電場(chǎng)日變化規(guī)律,從圖4可以看出,夏季大氣電場(chǎng)日變化的雙峰雙谷結(jié)構(gòu)較冬季明顯;同時(shí)，夏季的大氣電場(chǎng)強(qiáng)度波動(dòng)范圍和平均強(qiáng)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(cè)站不同季節(jié)晴天大氣電場(chǎng)的日平均變化

由圖4可看出,大氣電場(chǎng)峰、谷出現(xiàn)的早晚在夏季和冬季略有不同.統(tǒng)計(jì)夏季和冬季峰、谷出現(xiàn)的時(shí)間范圍可知,夏季大氣電場(chǎng)的峰和谷出現(xiàn)時(shí)間都比冬季早,且夏季的時(shí)間分布范圍比冬季寬.這可能是季節(jié)變化和太陽升起時(shí)間不同所導(dǎo)致[14].

2.3 晴天大氣電場(chǎng)的氣象效應(yīng)氣象參量將通過不同的作用機(jī)制間接影響大氣電場(chǎng)的值,也就是說，晴天大氣電場(chǎng)的日周期性變化與氣象參量有著密切的關(guān)系.本工作分析了LHAASO觀測(cè)站同期記錄的氣象數(shù)據(jù),研究大氣電場(chǎng)的日變化與大氣溫度、濕度和風(fēng)速的關(guān)聯(lián).圖5是晴天大氣電場(chǎng)的日平均變化與大氣溫度日平均變化的關(guān)系.可見,在一個(gè)太陽日內(nèi),大氣電場(chǎng)強(qiáng)度的日平均變化與溫度有很強(qiáng)的依賴關(guān)系,當(dāng)溫度升高時(shí),電場(chǎng)強(qiáng)度增加,反之亦然,電場(chǎng)強(qiáng)度隨著溫度的降低而減小,即大氣電場(chǎng)與溫度呈正相關(guān).這是因?yàn)榇髿鉁囟壬?熱對(duì)流和湍流增強(qiáng),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(dǎo)率,從而使晴天大氣電場(chǎng)的強(qiáng)度增大.

圖5 晴天大氣電場(chǎng)和大氣溫度的日平均變化

同時(shí),根據(jù)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(chǎng)呈正相關(guān),所以夏季的大氣電場(chǎng)強(qiáng)度比冬季大.

對(duì)大氣電場(chǎng)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(jié)合,但一般不會(huì)形成大氣重離子,只是會(huì)降低大氣的遷移率,使大氣的電導(dǎo)率減小,從而導(dǎo)致大氣電場(chǎng)增加,這說明水汽和大氣電場(chǎng)呈正相關(guān),即濕度與大氣電場(chǎng)呈正相關(guān).圖6是LHAASO觀測(cè)站晴天大氣電場(chǎng)和大氣相對(duì)濕度在一個(gè)太陽日內(nèi)的平均分布關(guān)系.

圖6 晴天大氣電場(chǎng)與相對(duì)濕度的日平均變化

圖6并沒有給出大氣電場(chǎng)與濕度的正相關(guān)關(guān)系,因?yàn)橛绊懘髿怆妶?chǎng)的是多個(gè)氣象因素共同作用的結(jié)果.在同樣多的水蒸氣情況下,溫度升高，相對(duì)濕度就會(huì)降低,即溫度與相對(duì)濕度呈反相關(guān).圖7是LHAASO觀測(cè)站大氣相對(duì)濕度與溫度日平均變化的關(guān)系,可見,溫度升高,相對(duì)濕度會(huì)減小,當(dāng)溫度降低時(shí),相對(duì)濕度會(huì)逐漸增加.

圖7 大氣溫度與相對(duì)濕度的日平均變化

當(dāng)相對(duì)濕度減小時(shí),大氣電場(chǎng)將降低;但相對(duì)濕度與溫度呈反相關(guān),濕度減小時(shí)溫度卻增加,由于溫度的增加,將增加大氣電場(chǎng)的強(qiáng)度.這就出現(xiàn)了濕度減小、大氣電場(chǎng)卻增加的現(xiàn)象(見圖8).從圖5和圖6可看出,溫度對(duì)大氣電場(chǎng)的影響比濕度強(qiáng)得多.

劉暢等[6]的研究表明,大氣電場(chǎng)的日變化與風(fēng)速也有一定的關(guān)系.Latham[15]認(rèn)為風(fēng)沙流中大沙粒與小沙粒發(fā)生非對(duì)稱摩擦,將引起沙粒帶電.Greeley等[16]研究表明,當(dāng)沙粒粒徑大于0.6 mm時(shí),沙粒帶正電荷,這說明運(yùn)動(dòng)的沙粒可使大氣電場(chǎng)增加.圖8顯示了LHAASO觀測(cè)站風(fēng)速的日變化與大氣電場(chǎng)呈正相關(guān).其影響機(jī)理可能是：隨著風(fēng)速的增大,大風(fēng)會(huì)將地表較大顆粒吹到空中,同時(shí)風(fēng)的擴(kuò)散效應(yīng)會(huì)將細(xì)粒子加快擴(kuò)散,這將導(dǎo)致大電場(chǎng)強(qiáng)度的增加.

圖8 晴天大氣電場(chǎng)與風(fēng)速的日平均變化

3 結(jié)論

晴天大氣電場(chǎng)的變化受全球性普遍變化機(jī)制和地域性局地日變化機(jī)制的共同影響[17],晴天大氣電場(chǎng)對(duì)全球大氣電路和局地氣候、環(huán)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(chǎng)行為密切相關(guān)[18],晴天大氣電場(chǎng)的研究有助于理解高海拔區(qū)域的雷暴現(xiàn)象.本文利用LHAASO觀測(cè)站2019年11月至2020年10月的大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù),重點(diǎn)研究了晴天大氣電場(chǎng)的日變化規(guī)律以及大氣電場(chǎng)與氣象參量(溫度、濕度、風(fēng)速)之間的關(guān)系,得到以下結(jié)論.

1) 晴天大氣電場(chǎng)的日變化呈雙峰雙谷結(jié)構(gòu),且表現(xiàn)出一定的季節(jié)效應(yīng),夏季的電場(chǎng)強(qiáng)度比冬季大,其雙峰雙谷的結(jié)構(gòu)比冬季更明顯.

2) 電場(chǎng)強(qiáng)度的日變化主要與地方性大氣氣溶膠濃度有關(guān),且呈正相關(guān)關(guān)系,即電場(chǎng)強(qiáng)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(fēng)速)與大氣電場(chǎng)強(qiáng)度變化呈正相關(guān),其中溫度對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響起主導(dǎo)作用.可見,夏季氣候濕暖，冬季干冷,這將導(dǎo)致晴天大氣電場(chǎng)分布規(guī)律呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)效應(yīng).

致謝感謝LHAASO合作組全體成員.