大气电场及其对植物和农业的影响

介绍了大气电场的物理参数及其形成的物理机制,讨论了大气电场对植物和农业的影响.     

全球电路

 在晴天,接近地球表面处存在着一个垂直指向地面、大小为１００-３００Ｖ／ｍ的电场．这表明地球表面带有负电荷,而大气带有净正电荷．那么当一个人站在地面上是否在头部与脚底之间经受了一个２００Ｖ以上的电势差呢？回答显然是否定的．在日常生活中,这个电场所以并未引起注意是因为我们的躯体和身旁的许多物体（例如树杆等）比之于空气都是良导体,它们短路了电场,使我们感受不到它的影响．但是晴天大气电场是客观存在的．由于大气中存在着净正电荷,于是它们在晴天大气电场的作用下,形成方向垂直向下的晴天大气电流,将大气中的正电荷输送给地球表面,使全球大气携带的正电荷与地球携带的负电荷中和,造成晴天大气电场消失．     

西藏地区近地晴天大气电场气象效应和时间变化研究

基于西藏羊八井宇宙线观测站在2006年3月至2011年6月期间记录的近地大气电场数据, 分析研究了该地区近地晴天大气电场气象效应和时间变化特征. 气象效应分析结果显示, 该地区近地晴天大气电场与三个气象参量(大气压强、温度和相对湿度)的长时间变化趋势基本一致, 并有明显的季节效应. 冬春季, 大气电场强度整体水平相对较低, 约为0.14 kV/m; 夏秋季, 电场强度水平相对较高, 为0.18 kV/m左右. 近地晴天大气电场强度与大气温度间的线性相关性最强, 拟合相关系数达到0.89; 与大气压强和相对湿度间的线性相关性相对较弱, 拟合相关系数依次为0.43和0.53. 傅里叶分析结果表明: 晴天大气电场时间变化受太阳日周期、半太阳日周期及其三、四次谐波分量调制作用, 调制强度依次减弱. 西藏地区近地晴天大气电场日变化特征呈大陆简单型, 即双峰双谷. 主、次峰谷分别出现在白天和夜间, 主峰谷出现的早晚因季节不同略有差异, 次峰谷出现的早晚因季节不同差异相对较大.     

FDTD方法分析高功率微波对大气的电离与击穿

 应用麦克斯韦方程和电子流体方程,利用时域有限差分方法(FDTD)计算模拟了高功率微波(HPM)对大气的电离与击穿;该方法用瞬时电场代替等效电场,时刻更新大气电离击穿过程中的电离频率和碰撞频率,消除了近似解析法未考虑大气电离击穿过程中电场幅度衰减而引起的误差,计算得到击穿阈值大小随海拔高度的变化趋势与文献所得的变化趋势相吻合,其值略大于近似解析解;并通过仿真计算分析了HPM脉冲幅值、脉宽以及海拔高度等参数对大气击穿的影响。     

近地雷暴电场与羊八井地面宇宙线关联的模拟研究

雷暴期间地面宇宙线强度变化的研究对理解大气电场加速宇宙线次级带电粒子的物理机理具有重要意义. 分析西藏羊八井ARGO实验中2012年大气电场的数据后发现, 近地雷暴电场的强度可达1000 V/cm甚至更高. 用Monte Carlo方法模拟研究了近地雷暴电场与羊八井地面宇宙线强度的关联. 当雷暴电场强度(取1500 V/cm)大于逃逸电场时, 宇宙线次级粒子中正、负电子的数目呈指数增长, 在大气深度约520 g/cm²处达到极大值, 与Gurevich等提出的相对论电子逃逸雪崩机理和Dwyer理论相符. 当雷暴电场强度小于逃逸电场时, 在所有负电场范围和大于600 V/cm的正电场范围, 总电子数目随电场强度的增大而增加; 当正电场小于400 V/cm时, 总电子数目均出现一定幅度的下降; 在电场为400–600 V/cm范围内, 总电子数目的变化与原初粒子的能量有关, 原初能量小于80 GeV时, 其次级粒子中总电子数目增加, 原初能量在80–120 GeV 范围内时, 总电子数目变化不明显, 原初能量大于120 GeV时, 总电子数目出现下降, 下降幅度约4%. 模拟结果可对羊八井ARGO实验的观测结果给予合理的解释.     

雷击与闪电

 1.地球的电场要认识雷击与闪电,首先必须了解地球的电场。这个电场位于带负电(按计算总电量Ｑ=-9×10⁵库仑)的地球表面和带正电的高层大气之间,由于宇宙线和地球天然放射性的活动,造成了空气分子持续不断地电离而形成。电离产生的一部分电子向高层大气移动。在大约海拔高度50千米的高空,充满了大量的正电荷,这部分大气是一个导电性良好的球形导体。上升的电子将中和这个带正电的导体。与此同时,电离产生的一部分正离子亦会下降到带负电的地面而发生中和作用。由于电离产生的全球电流共约1800安培,地面和高层大气两者都应该在数分钟内放电。     

110 GHz微波电离大气产生等离子体过程的理论研究

将描述电磁波的Maxwell方程组和简化的等离子体流体方程组耦合数值求解,对110 GHz微波电离大气产生等离子体的过程进行了理论研究. 研究发现:在高气压下等离子体成丝状;中等气压下等离子体先成丝状,在向微波源移动的过程中逐渐向连续的等离子体区域过渡;低气压下电离产生连续的等离子体区域. 不同气压下等离子体区域都向微波源方向移动. 初始电子数密度分布只影响放电初始阶段的等离子体区域形状,不会影响成丝与否. 等离子体区域在垂直于电场方向和平行于电场方向的移动规律不同. 当电场平行于计算平面时,由于沿着电场方向等离子体两端存在强场区,等离子体区域被拉长,在较低的气压下会出现等离子体丝阵. 关键词： 110 GHz微波 大气电离 等离子体丝阵     

高功率微波脉冲大气击穿概率研究

高功率微波大气击穿实验中,入射功率在大气击穿阈值附近,即使外界条件相同,大气击穿可能发生也可能不发生。针对这一问题,基于大气击穿机理,将大气击穿分为首个电子出现在击穿区域和高功率微波电场导致雪崩击穿两个过程。针对第一个过程,建立了改进的电子连续性方程,引入平均电子产生率分析大气击穿发生前电子出现的概率问题;针对第二个过程,建立了高功率微波大气雪崩击穿概率模型。综合两个过程,建立了高功率微波大气击穿概率模型,仿真了不同压强条件下大气击穿的概率,并与相关实验数据进行了比对,仿真结论与实验数据吻合较好。     

ARGO-YBJ实验“Scaler模式”计数的气象效应

对中意合作西藏ARGO-YBJ实验“Scaler模式”下次级宇宙线计数的气象效应进行了讨论,计算了计数率与大气压强、室外温度、大气电场及实验大厅内温度、湿度等5个气象参量的偏相关系数。结果表明,大气压强与次级宇宙线计数有很强的负相关,与室外温度也有一定的负相关,而实验大厅顶部的大气电场与实验记录的次级宇宙线计数基本没有关联。另外,实验大厅内温度也是影响次级宇宙线地面测量的一个重要因素,实验大厅内的湿度也有一定影响。随着符合多重数的增加,实验大厅内温度和湿度的影响变得不再重要。另外,对次级宇宙线计数率进行了多参量的气象效应修正。结果表明,这种修正是可靠的,为进一步利用ARGO-YBJ实验“Scaler模式”下的实验数据进行各种物理分析打下了基础。     

基于混合大气传输模型的单脉冲高功率微波大气击穿理论与实验研究

综合考虑高功率微波强电场作用下的热致快速电子效应、碰撞频率、电离频率等充分体现高功率微波特性的参量模型,基于高功率微波混合大气传输模型,提出了单脉冲高功率微波混合大气统一非线性击穿模型,定义了单脉冲高功率微波击穿阈值.理论研究结果表明:考虑中性气体分子极化作用以及电子的碰撞热效应后,大气击穿时对应的等离子体频率明显变大;大气击穿阈值随高度的增加先逐渐减小然后增大,在30-60 km区域存在一个极小值.开展了X波段窄带高功率微波单脉冲大气击穿实验研究,得到了典型条件下的高功率微波击穿现象、波形和阈值,且与理论结果一致性较好.     

FDTD结合DFT分析宽频高功率微波大气传播

联立麦克斯韦方程与电子流体方程,用时域有限差分法(FDTD)模拟高斯型和阻尼正弦型等宽频高功率微波(HPM)的大气传播.在每个时间网格上,根据窄带脉冲的电子速度,通过离散傅立叶变换(DFT)方法求解出宽频脉冲的等效电场,将等效电场和压强代入电离参数公式,使电离参数随空间网格不断更新,提高计算准确性.结果表明,宽频HPM脉冲幅值、脉宽以及海拔高度等参数对大气击穿有明显的影响;大气击穿导致尾蚀效应;随着传播距离的增加,宽频HPM脉冲的尾部衰减加剧,脉宽缩短,引起宽频脉冲的频谱出现展宽、分裂及中心频率移动等现象.     

ARGO-YBJ实验“Scaler模式”计数的气象效应

对中意合作西藏ARGO\|YBJ实验“Scaler模式”下次级宇宙线计数的气象效应进行了讨论, 计算了计数率与大气压强、 室外温度、 大气电场及实验大厅内温度、 湿度等5个气象参量的偏相关系数。结果表明, 大气压强与次级宇宙线计数有很强的负相关, 与室外温度也有一定的负相关, 而实验大厅顶部的大气电场与实验记录的次级宇宙线计数基本没有关联。 另外, 实验大厅内温度也是影响次级宇宙线地面测量的一个重要因素, 实验大厅内的湿度也有一定影响。 随着符合多重数的增加, 实验大厅内温度和湿度的影响变得不再重要。 另外, 对次级宇宙线计数率进行了多参量的气象效应修正。 结果表明, 这种修正是可靠的, 为进一步利用ARGO\|YBJ实验“Scaler模式”下的实验数据进行各种物理分析打下了基础。     

ICl分子在外电场中的物理性质研究

摘要：ICl作为一种强氧化剂并广泛用于生产农产品,自身具有毒性并且严重破坏大气臭氧层,本文通过外加电场研究其物理特性和解离特性。本文采用Hartree-Fook的方法在GDZVP基组水平上增加不同外电场( -0.020－ 0.020a. u.) 对ICl分子的基态稳定电子结构进行了计算,研究了外电场对ICl分子的分子结构、键长、偶极矩、总能量、能隙以及红外光谱、势能面的影响规律。结果显示在外电场的作用下分子结构变化显著,随着Z（I-Cl键）方向的外电场的增大,ICl分子键长一直减小,总能量先增大后减小,电偶极矩先减小后增大,能隙EG先增大后减小,同时ICl红外光谱的最强峰先发生蓝移再发生红移,另一方面当电场强度为-0.04a.u.时外电场使I-Cl键断裂,这也证实了研究ICl分子在外电场物理性质是有意义的     

微波大气击穿阈值的理论研究

本文通过对使用有效场强(或均方根场强)得到的微波大气击穿阈值表达式进行讨论, 指出其推导中所做的假设及这些假设应用到微波大气击穿过程中存在的问题. 然后分别使用解析理论和数值模拟对微波大气击穿过程中的有效电子温度变化过程和击穿阈值进行研究, 并将其与直流电场进行比较. 分析发现在高气压下, 电子能量转移频率高, 有效电子温度随电场大幅振荡, 由于电离频率随有效电子温度的增长率大于电子能量损失随有效电子温度的增长率, 因此在高气压时, 微波大气击穿阈值低于使用有效场强的击穿阈值. 通过大量分析, 给出了理论推导和数值模拟得到的微波大气击穿阈值拟合表达式.     

高功率微波在低电离层中传输特性分析

 高功率微波在大气中传输有一个衰减较大的高度,在这一高度,微波的强电场容易使大气电离形成等离子体,从而引起较大的非线性衰减,极端情况下会产生大气击穿。在低电离层(50~100 km),自然电离产生的电子浓度较高。主要研究高功率微波在低电离层的传输衰减特性。计算表明,在50 km高空,非线性吸收衰减最大,该高度也是最容易产生击穿的地方。在同样的电场强度下,脉宽越窄,衰减系数越小,衰减越小。在低电离层区间内,大气压强越小,吸收越小。     

NO+离子在外电场中的性质及其降解

NO⁺是大气电离层中最重要的离子之一,存在于电离层的E区和F区,研究NO⁺离子在电场中的性质非常重要.本文使用密度泛函理论(DFT)计算方法6-311G++(d, p)基组,从量子力学的角度计算和分析了NO⁺离子在外电场(-0.015 a.u.～0.015 a.u.)的影响下的物理性质.本文通过研究发现,由于电场强度的加强：NO⁺离子的氮氧三键变短,离子总能量变大,能隙E_G增大,偶极矩减小,IR强度减弱,费米能级E_F变小,势垒降低.当外加电场强度达到0.19 a.u.时,NO⁺离子的势垒接近消失.并且由于外加电场强度的逐渐加强,NO⁺离子的解离能也随之降低,这就意味着NO⁺离子在外加电场的影响下变得更容易解离.本文的研究为NO⁺离子在电场条件下的相关研究提供了理论参考.     

雷暴电场对宇宙射线次级粒子μ 子的影响研究

西藏羊八井宇宙射线观测站的中子监测器主要探测宇宙射线次级粒子中能量在500 MeV—20 GeV的核子成分和少量的负μ子成分. 本文分析了2008—2010年观测站附近发生的62次雷暴期间中子监测器和大气平均电场仪的同步观测资料, 发现27次雷暴期间中子监测器计数率发生明显变化, 显著性S>5σ, 其中13次变化显著, 显著性S>10σ . 显著性S>10σ的13次个例信号变化百分比与地面电场场强幅值之间存在大体一致的变化趋势, 而显著性在5σ <S<10σ之间的14次个例信号变化百分比与地面电场场强幅值之间不存在相似的变化趋势. 较强雷暴当顶时中子监测器计数率变化一般不明显, 而中子监测器计数率变化明显的个例则多发生于雷暴云不当顶, 但探测器仍处于雷暴云下部正电荷层的控制范围之内时, 或者当顶雷暴处于形成或消散阶段. Dorman等把雷暴期间中子监测器计数率的变化归因于雷暴云内电场对宇宙射线次级粒子μ子的作用, 并建立了雷暴期间中子监测器计数率变化与雷暴地面电场相关联的理论. 本文分析发现雷暴期间羊八井中子监测器计数率变化与地面电场场强之间相关性较小或者没有相关性, 不支持Dorman的理论.     

EHD两相系统中的电场数值模拟

针对均匀电场作用下两相系统中的单个离散相周围电场分布情况,建立了数学模型.在建模过程中,考虑了离散相的存在对电场分布的影响.通过求解电场控制方程,得到了均匀电场作用下离散相周围及其内部的电势及电场分布的数值解,并理论验证了该数值解的准确性.     

高频脉冲电场中水滴运动规律研究

基于水滴在脉冲电场中的受力分析,建立了高频脉冲电场中液滴运动模型及轨迹方程。采用高速显微摄像系统研究了油中水滴的运动规律,分析了脉冲电场形式、强度及频率对水滴运动轨迹和速度的影响规律。模拟结果表明,在直流脉冲电场中,场强主要影响单液滴运动的速度,频率主要影响单液滴的加速及减速时间。试验表明,单液滴运动平均速度随频率的升高而加快;双液滴相对运动速度随场强增加,在直流脉冲电场中减小,在方波电场和交流脉冲电场中变大;双液滴在脉冲电场中的相对运动速度由高至低依次为:交流脉冲电场、方波电场和直流脉冲电场。     

电场极化方向对自由空间电场测量的影响

介绍了自主研制的脉冲电场原始波形测量系统的模块组成与基本工作原理。针对在未知被测电场方向及复杂的电场环境下垂直干扰电场对自由空间电场测量产生的影响,通过建立自由空间电场测量系统前端的简化模型,对不同尺寸天线与屏蔽盒进行仿真计算。仿真计算结果与理论分析基本一致,结果表明:干扰电场响应信号与待测电场响应信号相差2个数量级以上,干扰电场的影响可忽略不计。