LHAASO观测站晴天大气电场分布特征

黄若琳, 冯虎成, 陈葛瑞, 吴 凯, 周勋秀

(1. 西南交通大学 机械工程学院, 四川 成都 611756; 2. 西南交通大学 信息科学与技术学院, 四川 成都 611756;3. 西南交通大学 物理科学与技术学院, 四川 成都 611756)

0 引言

观测表明,晴天大气中始终存在方向垂直向下、数值相对稳定的大气电场,即大气相对于大地带正电荷,而大地携带负电荷[1].大气电场是大气电学中重要的参量之一.由于大气离子的存在,使大气具有微弱的导电性能,在大气电场作用下,将产生晴天大气传导电流,并不断中和大气和大地所携带的电荷,使晴天大气电场逐渐减弱.要维持实验观测中稳定的晴天大气电场,必然还存在一些其他的大气电过程.早在1920年，Wilson[2]就提出了全球大气电路的物理模型,电离层下界面(正极)和地球表面(负极)两同心球面组成球形电容器,其间充满了具有微弱导电性能的大气介质.全球晴天大气传导电流为泄放电流,它的存在使电容器正、负极所携带的电荷因泄放而不断减少;全球雷暴活动所产生的补偿电流(尖端放电电流和地闪闪电电流等)与晴天大气传导电流方向相反,以补偿电容器不断泄放的电荷,从而维持相对稳定的晴天大气电场.自大气电路概念提出以来,相关研究备受科学家的关注,观测表明，雷暴活动、起电的积雨云和中高层大气瞬态发光事件等对全球电路都有一定的贡献[3-4].

根据球形电容器模式,电离层下界面与地球表面之间形成的整层晴天大气电位差(其值全球是相同的),是形成晴天大气电场的原因.晴天大气电过程可近似看作准静态过程,根据欧姆定律可导出地面晴天大气电场的表达式

(1)

将(1)式两边取对数后对时间t求导,可得到地面晴天大气电场相对变化

(2)

(2)式表明:晴天大气电场的相对变化不仅取决于晴天大气电位差的相对变化,即全球性普遍变化,如全球雷暴活动和宇宙线辐射等的变化;还取决于该地晴天大气总电导率和晴天气柱电阻的相对变化,即地方性局部气候和环境的变化.

大气电场的变化规律对研究全球大气电路、气候变化以及理解雷暴现象等至关重要.近年来,各地研究得到大气电场的分布规律较为一致,但由于气象条件、地理位置和环境污染等多种因素的影响,各地晴天大气电场具有很强的地域性,不同地区大气电场具体特征以及与气象条件的相关性存在较大差异.李芳等[5]对2013—2015年山西省大气电场监测系统8个观测站点的观测数据进行了统计分析,发现大气电场的日变化具有典型的大陆型双峰双谷结构,电场变化与大气中SO2、PM2.5的浓度有较好的正相关性,与NO2、PM10的相关性较差或不相关.刘畅等[6]分析了成都地区2009—2015年大气电场资料,吴亭等[7]对北京地区不同天气条件下大气电场进行了研究,均发现晴天大气电场的日变化呈双峰双谷结构.徐斌等[8]对青藏高原地区大气电场进行了研究,得出近地晴天大气电场的日变化与季节相关.文献[9-11]利用高海拔观测站的大气电场数据,研究了晴天大气电场的分布规律.

晴天大气电场的观测虽已取得了丰富的资料,但由于受多种因素的影响,如气象条件、环境污染和人类活动等,难以对大气电场的变化规律进行全面分析.本工作利用高海拔宇宙线观测站(large high altitude air shower observatory，LHAASO)的大气电场数据和环境监测数据,研究晴天大气电场的日分布规律,以及电场变化与气象参量(温度、湿度和风速)的关联.本文的研究结果有利于了解LHAASO观测站局地气候和环境的变化,为研究雷暴天气提供了信息,对促进大气物理与宇宙线物理交叉学科的前沿研究也具有重要的理论和实际意义.

1 实验数据

位于中国四川省稻城县海子山的LHAASO实验(海拔约4 410 m),包含3个子阵列,即1 km2、地面粒子探测器阵列(KM2A)、水切伦科夫探测器阵列(WCDA)和广角大气切伦科夫望远镜阵列(WFCTA).该实验是世界上海拔最高、规模最大和灵敏度最强的地面宇宙射线探测装置.为了监测LHAASO观测站大气电场的变化,2019年9月17日在WCDA的2号水池屋顶安装了一台大气电场仪EFM-100,量程为1 000 V/cm,可以方便地探测大气电场强度和极性随时间的变化.屋顶和探头的高度对电场仪读数具有一定的放大效应,本工作中的电场读数尚未进行标定,测量所得的电场强度是相对值.

为了监测LHAASO观测站的环境,在20 m塔的不同高度处安装了温度、风速、湿度和雨量等气象参量的观测系统.本工作通过分析大气电场数据和环境监测数据,研究晴天大气电场的分布规律以及大气电场的气象效应.

研究晴天大气电场需要对实验数据进行筛选,选出“符合晴天条件”的大气电场数据.观测表明,在晴朗天气下(无降水)大气相对于大地带正电荷,电场值较低、波动较小.本工作中晴天大气电场数据所满足的条件为：1) 大气电场的极性为正;2) 大气电场强度值在0～150 V/cm之间;3) 环境监测数据中“雨量”显示为0.

2 结果与讨论

2.1 晴天大气电场的统计分布受地面环境和气象条件等因素的影响,晴天大气电场并不是一个恒定不变的值,而是在一定范围内变化.统计2019年11月至2020年10月的大气电场数据,发现LHAASO观测站的晴天大气电场强度主要分布在1～10 V/cm范围内,如图1所示.可见,晴天大气相对稳定,大气电场在较小的范围内波动.

图1 LHAASO观测站晴天大气电场的统计分布

2.2 晴天大气电场的日变化受局地气候的影响,晴天大气电场存在太阳的周期变化.图2是2019年10月11日至16日连续6天大气电场随时间的分布,2019年10月11日零点为时间起点，可以看出大气电场强度出现明显的日周期性变化规律,其值在2～12 V/cm范围内,一日之内电场强度出现两次极大值(峰)和两次极小值(谷).

图2 晴天大气电场随时间的分布

为了得到更加清晰的周期性变化规律,本文统计2019年11月至2020年10月晴天大气电场日变化的平均效应,如图3所示.由图3可知,LHAASO观测站晴天大气电场的日平均变化呈双峰双谷结构,第一个峰值出现在北京时间12:00,第二个峰值出现在18:00;第一个谷值出现在7:00,第二个谷值出现在13:00.

图3 LHAASO观测站晴天大气电场的日平均变化

晴天大气电场强度的日周期性变化主要和地方性大气气溶胶浓度有关[12-13].气溶胶粒子可吸收大气轻离子而变成大气重离子,大气重离子的增加将降低大气迁移率而增加大气的导电性.可见,大气气溶胶浓度增大会使大气电场强度增加.结合(2)式,可解释图3中晴天大气电场的日变化特征.日出后,太阳辐射逐渐增强,低层大气中的热对流和湍流垂直输送作用开始增加,近地面大气中的气溶胶含量增加,使得大气电导率下降,从而导致晴天大气电场逐渐增加，并在上午12:00左右出现峰值.午时前后,由于低层大气中热对流和湍流的垂直输送较为旺盛,较低层大气中的气溶胶向较高层大气大量输送,使整层大气气柱电阻增加,而近地面的大气电导率变化不明显,导致晴天大气电场在13:00出现谷值.午后至傍晚,低层大气中热对流和湍流的垂直输送减弱,大气中气溶胶浓度随之减小,气溶胶的沉积使近地面气溶胶浓度增加,使大气电导率与晴天气柱电阻减小,从而导致晴天大气电场在18:00出现更强的峰值.到了深夜至日出前,低层大气趋于稳定,气溶胶的含量逐渐减小,使晴天大气电导率增加,电场强度逐渐下降,在7:00左右再次出现谷值.

受全年气候变化的影响,晴天大气电场波动范围以及峰谷出现的时间范围具有季节性差异.为分析大气电场日变化的季节效应,本工作将全年分成夏半年(5—10月)和冬半年(11月至次年4月).图4是夏半年(简称夏季)和冬半年(简称冬季)的晴天大气电场日变化规律,从图4可以看出,夏季大气电场日变化的双峰双谷结构较冬季明显;同时，夏季的大气电场强度波动范围和平均强度均比冬季大,夏季在3.5～8.5 V/cm之间,冬季在2.5～5.5 V/cm之间.

图4 LHAASO观测站不同季节晴天大气电场的日平均变化

由图4可看出,大气电场峰、谷出现的早晚在夏季和冬季略有不同.统计夏季和冬季峰、谷出现的时间范围可知,夏季大气电场的峰和谷出现时间都比冬季早,且夏季的时间分布范围比冬季宽.这可能是季节变化和太阳升起时间不同所导致[14].

2.3 晴天大气电场的气象效应气象参量将通过不同的作用机制间接影响大气电场的值,也就是说，晴天大气电场的日周期性变化与气象参量有着密切的关系.本工作分析了LHAASO观测站同期记录的气象数据,研究大气电场的日变化与大气温度、湿度和风速的关联.图5是晴天大气电场的日平均变化与大气温度日平均变化的关系.可见,在一个太阳日内,大气电场强度的日平均变化与温度有很强的依赖关系,当温度升高时,电场强度增加,反之亦然,电场强度随着温度的降低而减小,即大气电场与温度呈正相关.这是因为大气温度升高,热对流和湍流增强,使大气气溶胶含量增大,气溶胶粒子吸收大气轻离子而变成大气重离子,降低大气的电导率,从而使晴天大气电场的强度增大.

图5 晴天大气电场和大气温度的日平均变化

同时,根据夏季和冬季温度的日平均变化可知,夏季的平均温度范围为3～12 ℃,冬季的平均温度-5～6 ℃,即夏季比冬季的温度高.由于温度与大气电场呈正相关,所以夏季的大气电场强度比冬季大.

对大气电场的作用,水汽分子与气溶胶粒子有相似之处,即水汽分子也容易与大气轻离子结合,但一般不会形成大气重离子,只是会降低大气的迁移率,使大气的电导率减小,从而导致大气电场增加,这说明水汽和大气电场呈正相关,即湿度与大气电场呈正相关.图6是LHAASO观测站晴天大气电场和大气相对湿度在一个太阳日内的平均分布关系.

图6 晴天大气电场与相对湿度的日平均变化

图6并没有给出大气电场与湿度的正相关关系,因为影响大气电场的是多个气象因素共同作用的结果.在同样多的水蒸气情况下,温度升高，相对湿度就会降低,即温度与相对湿度呈反相关.图7是LHAASO观测站大气相对湿度与温度日平均变化的关系,可见,温度升高,相对湿度会减小,当温度降低时,相对湿度会逐渐增加.

图7 大气温度与相对湿度的日平均变化

当相对湿度减小时,大气电场将降低;但相对湿度与温度呈反相关,湿度减小时温度却增加,由于温度的增加,将增加大气电场的强度.这就出现了湿度减小、大气电场却增加的现象(见图8).从图5和图6可看出,温度对大气电场的影响比湿度强得多.

刘畅等[6]的研究表明,大气电场的日变化与风速也有一定的关系.Latham[15]认为风沙流中大沙粒与小沙粒发生非对称摩擦,将引起沙粒带电.Greeley等[16]研究表明,当沙粒粒径大于0.6 mm时,沙粒带正电荷,这说明运动的沙粒可使大气电场增加.图8显示了LHAASO观测站风速的日变化与大气电场呈正相关.其影响机理可能是：随着风速的增大,大风会将地表较大颗粒吹到空中,同时风的扩散效应会将细粒子加快扩散,这将导致大电场强度的增加.

图8 晴天大气电场与风速的日平均变化

3 结论

晴天大气电场的变化受全球性普遍变化机制和地域性局地日变化机制的共同影响[17],晴天大气电场对全球大气电路和局地气候、环境变化的研究具有重要意义.晴朗天气条件与雷暴期间的电场行为密切相关[18],晴天大气电场的研究有助于理解高海拔区域的雷暴现象.本文利用LHAASO观测站2019年11月至2020年10月的大气电场数据,重点研究了晴天大气电场的日变化规律以及大气电场与气象参量(温度、湿度、风速)之间的关系,得到以下结论.

1) 晴天大气电场的日变化呈双峰双谷结构,且表现出一定的季节效应,夏季的电场强度比冬季大,其双峰双谷的结构比冬季更明显.

2) 电场强度的日变化主要与地方性大气气溶胶浓度有关,且呈正相关关系,即电场强度随着气溶胶浓度的增加而增大.

3) 大气中的气象参量(温度、湿度、风速)与大气电场强度变化呈正相关,其中温度对电场强度的影响起主导作用.可见,夏季气候湿暖，冬季干冷,这将导致晴天大气电场分布规律呈现出明显的季节效应.

致谢感谢LHAASO合作组全体成员.