大气电场与空间电场

大气电场大气电场也称自然电场，是地球环境中存在的一种自然现象，并对地球环境中的植物生长发育以及病虫害发生与发展产生着一种“无形”控制，它是继光、温度、水分、空气、土壤、肥料之后于上世纪九十年代才发现的新要素。大气电场的形成是由带负电荷的地球和带正电荷的电离层组成的类似于球形电容器产生的，因此，大气电场的方向指向地面，其强度随时间、地点、天气状况和离地面的高度而变。按天气状况可分为晴天大气电场和讯变大气电场。图2-18给出了全球大气电过程的球形电容器模型，其中E0为大气电场的电场强度。图2-18全球大气电过程的球形电容器模型（图片设计：韩大鹏刘滨疆）2.2.4.1晴天大气电场晴天大气电场为正电场，具有空间分布特征。其电场强度可随纬度、气溶胶含量、地面高度、局地特点、时间变化而变化。1）晴天大气电场局地特点与植物的多样性相关大陆上地面晴天大气电场随地点的变化较为复杂，就全球平均而言，电场强度E0在陆地上为120伏/米，在海洋上为130伏/米。我国广州的大气电场的平均值为87v·m-1，日较差为11%，而伊宁则为56v·m-1，日较差为129%，各地区大气电场的不同会导致植物生长变化的多样性。2）晴天大气电场场强也因时因地而异通常，晴天大气电场随高度增加近似呈指数规律递减的分布特征。然而，即使在同一时刻，晴天大气电场在不同高度范围内随高度的分布规律也不尽相同，在贴近地面的大气层中，晴天大气电场将受大地电极效应的影响。由于大地带负电荷，因而在贴近地面的一薄层大气中积累了大量符号相反的正电荷，而且体电荷密度在该气层中很不均匀，具有随高度增加而急剧递减的变化特征，于是该气层中便形成了较强的大气电场。晴天大气电场受大地电极效应影响而增大1倍的高度分别为1m和5m左右，高度为零处的晴天大气电场为未受大地电极效应影响的晴天大气电场的2.8倍。根据静电学感应原理，贴近地面的晴天大气电场强度的增加，其植物体表层将感应出更多的荷负电的离子。阴离子积累在植株叶缘或叶脉等尖端部位最易获得大气正电荷的中和而发生化学反应。比如叶内的OH-负离子,它可对大气中阳离子或荷正电荷的粒子放电而发生4OH—-4e=O2↑+2H20的还原反应。感应积累于叶面表层的OH-在日光电磁场的激发下很易在气孔等棱缘处放出电子，这个反应也许同植物的光合作用放氧有关。在人为施加静电场的环境中，有些植物也能在黑暗中进行光合作用就是对这一推测的正确性的证明。3）晴天大气电场时变性晴天大气电场具有较明显的日变化和年变化，还存在周期约几分钟至十几分钟的脉动起伏变化。晴天大气电场日变化的波形受两种机制的影响，一种是全球普遍变化的机制，主要与全球雷暴活动的日变化有关，另一种是地方性局地变化机制，主要与局地大气状况的日变化所导致大气电导率和大气体电荷密度等大气电学量的日变化有关。根据世界各国的观测结果，可将地面晴天大气电场日变化归纳为二种基本类型。第一类为地面晴天大气电场日变化具有单峰单谷的变化波形。通常,这类地面晴天大气电场日变化的峰值出现在下午至傍晚，即地方时13时至19时左右。谷值多出现在清晨，即地方时2时至6时左右，远离人口密集的大城市、工业区和气溶胶自然源地的小城镇和乡村地区，其地面晴天大气电场日变化有些属于这一类型。这类地区的植物可在晴天大气电场向峰值变化时从土壤中获得阴离子HCO3-、OH-等，又可在晴天大气电场由峰值向谷值变化时吸收阳离子Ca+2等。因而，这类地区的植物在每日中有两次大规模吸收阴离子或阳离子的时间，这类地区的生物产量往往不会太高。第二类为大陆复杂型。这类地面晴天大气电场日变化具有双峰双谷的变化波形.通常,第一峰值多出现在上午地方时7时至10时左右，第二峰值多出现在晚间地方时18时至21时左右，第一谷值多出现在清晨地方时2时至6时左右，第二谷值多出现在下午地方时13时至16时左右，离人口密集的大城市、工业区和气溶胶自然源地较近的地区的地面晴天大气电场日变化多属于这一类型。这类地区的植物在每日里分别有两次大规模地吸收阴离子和阳离子的时间，故其生物产量一般高于单峰单谷地区。气象条件与晴天大气电场之间的关系，往往是通过其他大气电学量对晴天大气电场产生间接影响的结果。由于大气电场与晴天大气电导率之间关系呈负相关，因此，对晴天大气电导率产生影响的气象条件都将间接影响晴天大气电场。通常，在午夜至黎明之前，地面气溶胶浓度出现第一极小值,大气轻离子浓度增大,晴天大气电导率增大,致使晴天大气电场减小，大气电场出现第一极小值。日出后由于热对流和湍流垂直输送作用的加强，使近地面大气中气溶胶浓度增大，大气轻离子浓度减小，致使晴天大气电导率减小，最后使晴天大气电场增大，大气电场出现第一大值。中午至下午因热对流和湍流垂直输送较为旺盛，这就使近地面大气中的气溶胶大量向上输送，于是地面气溶胶浓度反而下降，大气轻离子浓度增大，又导致晴天大气电导率增大，从而使晴天大气电场减小，出现第二谷值,到了傍晚，大气趋于稳定，近地面大气中的气溶胶不宜向上输送，从而使地面气溶胶浓度复又增大，大气轻离子浓度减小，晴天大气电导率减小，这又导致了晴天大气电场出现第2峰值。温度，水汽压影响着晴天大气电场的变化，晴天大气电场的变化量又决定着植物从土壤中吸收肥料的电极性和数量以及带电同化物的运移。通常，太阳光、温度、水份对植物生长的影响也可归结为这类气象因子的变化在良好的生长环境中通过大气电场的变化以及大气电场变量△E对离子的驱动条件而植物生长产生作用。大气电场的这种脉动变化对于植物的生长具有重要的意义，有趣的是植物开花的时间也多集中在两个峰值区。科学家通过多峰多谷的实验，亦确定了多变的静电场可以加快植物的生长。晴天大气电场波动的增量△E往往可以导致植物从土壤中吸收增量为△G的阴离子量和从植物生态学上部向下运转△G、的荷正电荷的物质,而其电场强度的减弱又往往会导致植物从土壤中吸收阳离子和从其生态学上部往下运输阴离子同化物。两种极性的荷电养料的相反运动又往往会产生许多生化反应。晴天大气电场的年变化规律因地而异。地面和海面晴天大气电场年变化波形一般具有单峰单谷的变化波形，其波谷在南半球和北半球大陆多出现在7月左右.然而有些地区，特别是热带地区，其地面晴天大气电场念变化具有双峰双谷的变化波形。比如，印度尼西亚瓜哇地区就是如此。4月份以前和10月份以后，较高的大气电场及其变化率有利于植物在比较寒冷的天气中吸收养料，增加溶质以抵抗寒冷的侵害。从电场可驱动离子运动这一特性来讲，既然冬季大气电场较强，那么植物尤其是树木也可在冬日集聚养料，提高溶质浓度抵御低温灾害。大气电场年变化的这一特点，对植物来年春天的开花生长则具有重要的科学意义。2.2.4.2讯变大气电场扰动大气电场或称讯变电场同气象要素的变化有关。当存在激烈的天气现象（如雷暴、雪暴、尘暴）时，大气电场的数值和方向均有明显的不规则变化，高云对电场的影响不大，低云则有明显的影响，雷雨云下面的大气电场，甚至可达-104伏/米。这时,地面上的树木，青草，庄稼等植物体尖端，在地面大气电场超过103V/m左右时尖端附近大气电场剧增,致使尖端放电。若积雨云下部为荷电区,则尖端放电电流方向朝上,若积雨云下部为正荷电区,则尖端放电电流方向朝下。尖端放电电流取决于地面大气电场，同时还与植物体尖端的几何形状和高度有关。在静风条件下，尖端放电电流强度为I=ａ(E2-b2)（1）式中a和b均为常系数。若尖端放电电流强度为正时,a=8×10-14A·m2/V2，b=780V/m。若尖端放电电流强度为负时，a=-10-13A·m2/V2,b=860V/m。尖端放电电流强度与风速密切相关，风速愈大，尖端放电电流强度也随之增加，因此，一定风速的气流有利于植物从土壤中吸收离子肥料。摇动植物、脉动风、声波震动导致植物吸收离子的变化就是对一问题的间接说明。由于积雨云下部通常为负荷电区，有时也出现正荷电区，因而，尖端放电电流时正时负，但平均而言，负的尖端放电电流向大地输送的负电荷大于正的尖端放电电流向大地输送的正电荷，这同晴天大气电场作用的情况相反。正的尖端放电电流可导致植物从土壤中吸收阴离子，而负的尖端放电电流则又可导致植物从土壤中吸收阳离子。时正时负的这种放电电流便可使植物体吸收平衡的营养成分。雷电是积云中不同符号荷电中心之间的剧烈放电过程或云中荷电中心与大地和地物之间的放电过程。雷电过程中产生的强大闪电电流，将产生静电场变化和丰富的电磁辐射。由于地闪或云闪所引起地面垂直大气电场随时间t的变化E（t）可表示为E（t）=Es(t)+Eⅰ(t)+Er(t)(2)式中Es(t)为静电场分量，Ei(t)为感应场分量，Er(t)为辐射场分量。上式还可以写为E(t)=(2)式中C为光速，R为闪电距离、)(CRtM为闪电电距随时间的变化。满足上式的闪电距离的变化范围，严格而言为30～100KM左右，上式右边第一项表明，闪电引起的地面垂直大气电场随时问变化的静电场分量正比于闪电电距，反比于闪电距离的立方。第二项表明，闪电dtCRtMdCRdtCRtdMCRICRtMR)(1)()(12223所引起的地面垂直大气电场随时间变化的感应场分量正比于闪电电距对时间的一次微商，反比于闪电距离的平方。第三项表明，闪电所引起的地面垂直大气电场随时间变化的辐场分量正比于闪电电距对时间的二次微商，反比于闪电距离的一次方。上式的重要生物物理意义在于一次雷电，其电场作用半径可达100公里左右，方圆200公里以内的植物将受到电场变化量的作用。除了通常认为的闪电合成氮素是导致雷雨期间植物生长加快的原因之外，也许更为重要的是雷电期间，大气电场的剧烈变化所导致大重矿质营养导入植株体内的结果。由此看来，年雷暴时数的多少同植物群落的生长量有着密切关系，年雷暴时在80小时以上的地区为植物生长茂盛地区。年雷暴时愈高的地区则植物生长愈繁盛，如海南岛的海口为471小时，长江两岸地区为150～200小时，该类地区的植被都很发达。而年雷暴时愈低的地区则植被愈稀落，如敦煌为9小时，格尔木为4小时，柴达木盆地为25小时。总的来说，我国平均雷暴时具有南方多于北方，山地多于平原，沿海地区和江湖流域以及潮湿的地区多于干早地区等，每一次闪电，大气电场的变化的响范围数万平方公里，山区的闪电可使临近的平原受益。2.2.4.3大气电场的表达式在直角坐标系里，大气电场可以表示为：VVVEijkxyz(3)式中i、j和k分别为x、y、z轴的坐标向量。v为大气电位，单位为伏。E为大气电场，单位为v/m。对于平坦地面，晴天大气等电位平行于地面，单位法向向量垂直向上，与坐标z重合，因而0yvhv(4)这个电场可使植物保持向上的生长态势。这时的晴天大气电场可改写为标量形式E=EZ=zv(5)对于地形起伏和高耸的地物和植物附近的地面，晴天大气等电位面因起伏和畸变而变成曲面，晴天大气电场的水平分量Ex和Ey可导致植物的叶茎向四围伸展。2.2.4.4大气电场的变化与植物生物电流的产生植物生物电流是由同极性荷电离子在植物体内的定向移动形成的，同极性离子的定向移动是由植株地上部分和土壤溶液间的不同电位所决定。不同的电位既可由大气电场对植株感应所引起的放电所形成，又可以通过大气电场场强的增减量在植株体内引起的瞬间的不平衡电场所形成。因而大气电学的各项参数的变化是导致植株体内荷电粒子运动的基本原因。1）全球大气电过程的物理模型为了建立大气电场变化同植物生物电流的数学关系，需建立全球大气电过程的物理模型见图2-18。由于土壤电导率比低层晴天大气电导率大10至11个数量级，而电离层电导率则比低层晴天大气电导率大10个数量级左右，因此，相对大气而言，地球和电离层均为导体，地球表面和电离层下界面为等电位面，于是可把整个大气—地球体系视为由地球表面和电离层下界面两同心球面组成的球形电容器，期间充满了具有微弱导电性能的大气介质。整层晴天大气电位差V的存在，导致晴天大气电场E的建立，由于晴天大气具有微弱的导电性能，因而在晴天大气电场的作用下，形成电流强度为I的全球晴天大气电流