下面是小编为大家整理的3、空间及大地电场总述,供大家参考。
空间及大地电场总述
地球内部的电场叫大地电场，简称为地电场。地电场是由地球内部、外部许多物理及化学机制产生的电场。大地每一点的电场值都是这众多电场的矢量和。地电场可分为自然电场和人为电场两大类。
自然界连一棵小草、一滴雨滴，风吹起的沙粒都会产生电场！这些对地电场的影响都非常小。最主要的自然电场是自然普遍电场和自然局部电场。
（一）、自然普遍大地电场
所谓自然普遍大地电场，是指分布范围宽广,甚至是全球性，具有某些共同特征的电场。这类电场的形成机理主要有如下几种。
一、日地静电感应大地电场
我们知道太阳主要是由氢氦等元素组成的恒星星球，是个巨大的热核反应堆。内部温度高达2000 万摄氏度，表面也有约 6000℃的高温。在这样高的温度作用下，一切物质只能以气态存在，并被电离。氢、氦等原子被电离成带正电的质子、氦原子核和带负电的自由电子。所以太阳是个炽热的高度电离的巨大离子气体球。
在静稳状态下，如果离子体中有一个带电电荷，这电荷周围就会吸引相同电量的异性电荷，形成一个正负离子团，这个离子团的半径可用下式表示：
式中 k 为玻耳兹曼常数， T e、 n 、 e
分别是电子的温度、离子数密度和电子的电荷量。
λ D 半径内，正负离子的电量相等，距离超过 λ D 时，其电场就被周围的导性粒子的电场屏蔽而迅速消失，所以， λ D 也称为德拜屏蔽距。当离子体的球半经大于德拜长度λD 时，离子体中不会有电场存在。
在高导电率的太阳大气中，若在局部等离子体中出现正负电荷分离，产生宏观静电场，那么这电场会使正负电荷产生相对运动，使偏离电中性的等离子体很快恢复电中性状态。因此科学家们一直认为太阳上不会有宏观静电场存在。太阳大气的每个区域时时都处于电中性状态，抛射到星际空间的物质都是正负电荷数相等的等离体粒子流，因此太阳不会失去某种电荷而带电，整个太阳也就不存在静电场。正因如此也很少有人研究这个问题，也检索不到论述太阳静电场的文献。
但太阳不是一个静稳的电离气体球，太阳中的核聚变释放出巨大能量，使太阳离子体产生复杂的剧烈运动。运动的离子在太阳磁场中产生洛伦兹力，使正负离子分离。洛伦兹力克服了静电引力，使太阳产生巨大的电荷斑块，从而产生巨大的电场。那么事实如此吗？ 1 1 、质子事件与电子事件
日冕层是太阳大气的最外层，有 100 万摄氏度的高温，带电粒子运动速度极快，以致不断有带电的粒子挣脱太阳的引力束缚，射向太阳的外围形成带电粒子流，又形象的称作太阳风。太阳风主要由带正电的质子，氦原子核，和带负电的电子组成，一般呈电中性的。
但在 1964 年行星际探测器“水手”4 号首次探测到，太阳出现耀斑时抛射出的高速（高能）粒子中，有时电子数量远远大于质子数量的高能电子流现象，这叫电子事件。后在空间探测中，也不时观测到高速粒子流中只有电子而没有质子成分的情况，这为称为纯电子事件。
美国物理学家福布什在 1946 年，用电离室检测宇宙射线时发现，有高能粒子突然增多的现象，且这种现象主要发生在太阳耀斑后几个小时内。后经多年研究和探索，人们逐步认识到高能离子主要来源于太阳，是太阳耀斑期间由日冕层抛射的高能质子。后由卫星监测得到证实，并把由太阳向太空抛射高速质子现象称为质子事件。
在质子事件中，虽然伴有低速的电子流（非相对论电子），但是能量大于 10 兆电子伏的高速质子占了总粒子数的 90%以上。
无论是质子事件还是电子事件，说明了三个问题：一是高速粒子流不再是电中性的等离子体，而是带有正电或负电的粒子流。二是太阳中存在电荷斑块，从带正电斑块抛射的粒子流必定是质子数大
于电子数，形成质子事件，相反从负电荷斑块中抛射的离子流中必定电子数大于质子数，形成电子事件。三是太阳中存在单独加速正电荷粒子或负电荷粒子的物理机制，使抛射到太空的粒子，由于电性的不同而产生速度差异。这就存在太阳向外太空抛射正负电荷不均衡的可能，从而使太阳带某种电性的净电荷，使太阳产生某种极性的静电场。
图 1
太阳黑子
图 2
太阳耀斑 对产生质子事件与电子事件的机理目前还不太清楚，但都与耀斑和黑子有关。通过对太阳大气的观察得知：黑子是光球层上巨大的气流旋涡，有着极强的磁场；耀斑是太阳色球层巨大能量爆发释放产生的闪光现象。太阳黑子和太阳耀斑的出现，证明太阳大气有着剧烈的物质运动。当等离子体中带有正、负电荷的粒子，在极强磁场中高速运动时会受到洛伦兹力作用，使正负电荷分离，于是在太阳的个别区域会产生准净电场。目前这种准净电场已被科学家检测到。
事实说明太阳向外太空抛射的物质并不是正负电荷相等的等离子体，存在着影响抛射物质电性的机制，使太阳上某些时刻某些区域抛射出正电荷或负电荷不平衡现象。太阳活动存在着一定的规律性。除有 11 年和 22 年的短周期外，有研究发现还存在周期约为 225 年、352 年、441 年 ----- 2270 年等长周期。这就有可能存在，在某周期中，由抛射物质电性机制作用，太阳抛射某种极性电荷的几率较大，因此整个太阳中的正负电荷不再相等，对外显示出一定电性。
图 3
1992 年日全食期间拍到的日珥
图 4
根据美国宇航局“太阳动力学天文台”（SDO）探测器在 2016 年 3 月 12 日拍摄的图像， 科学家们绘制出了太阳磁场的结构图
目前对太阳整体电场研究的很少，没有人去检测验证太阳是否有静电场存在。但有人开始对太阳局部电场探索，并取得一些进展。如果假设太阳存在静电场，就可解释地球上许多电磁现象，这也可从侧面证实太阳静电场的存在。
2 2 、近地大气电场
若太阳抛射质子数量过多，那么整个太阳会带负电荷。虽然日地平均距离为 14000 万多公里，但电磁力像万有引力一样也是远程力，太阳上的负电荷会对地球有一定的静电作用。
地面土壤中存在放射性物质，其射线会使近地大气电离、阳光中的紫外线也会使大气气体电离；植物生长过长中也向大气释放电荷；由于地幔的温度远高于地壳的温度，必定会产生温差电势，使温度高的地幔带正电荷，火山喷发时又把这些正电荷喷发到大气中。由于种种因素使大气中带有大量的正负电荷。这些电荷附着在气溶胶上，形成带电粒子，悬浮在近地大气层中。这时大地和近地大气就形成一个垂直向下的电场，经检测这个电场的平均值是 120V/m。
这种近地大气电场的物理机制可用雷雨云的起电来证实。在发生大气的上下对流时，若气流向上运动，此时正电荷受到太阳电场力的方向和气流运动方向相同，向上的速度较快，负电荷受到太阳电场力的方向与气流方向相反，运动速度减慢。这样正电荷会集中在云层的上方，负电荷留在了云层的下方。如果对流的气流方向向下，也会产生同样结果。
由于地球背阳面受到太阳电场力较小或消失，电荷的运动差异减小，晚上云层带电量较白天少。再加上云层电荷的积累需要一个过程，有一定的延时。所以早上的闪电频次远小于傍晚的闪电频次。
当然雷雨云的起电假设还有；水滴破裂效应、水滴冰冻效应、温差起电效应等，但最终结果是一样的。雷雨云带有上正下负的电荷也得到了仪器探测证实。
图 5
用探空气球检测到的云层三极性电荷结构示意图
雷雨云下部负电荷靠近地面时就会对地放电，把负电荷传导到地面，使地球带负电荷，近地大气带正电。当近地大气中的正电荷积累到一定量时，由大气电荷产生的垂直向下电场，大于太阳向上的电场，于是就形成一个垂直向下的近地大气电场。经仪器检测证明这种电场确实存在。
近地大气中的正电荷大多都集中在靠近地面的大气中，所以随着高度的增加电荷量急剧减少，大气电场值也减小。按电场随高度的变化规律有四种类型，其中有一类型在三四千米处，大气电场矢量反号。如果通过此处做一个包围地球和地球大气的高斯面，因高斯面内地球带的负电荷和大气中的正电荷量值相等，净电荷为零，因此高斯面上不应有电力线穿过，电场强度应为零。但这里却有垂直向上的电场，这电场必定是高斯面之外电荷产生的，如高空电离层的电荷，也有太阳电荷产生的可能。见下面示意图。
图 6
日地电场静电作用示意图
3 3 、日地静电感应的大地电场
近地大气电场是近地大气和大地之间的电场，两者之间任何一方有电荷的变化，都会引起近地电场的变化，一般我们都是把地球看成是零电势。
靠近地面的大气密度高，带电粒子与空气分子频繁碰撞，使带电粒子的自由行程很短。所以近地大气的电阻率非常高，在晴稳天气状况下，大气中的电荷不会产生很大的变化，是相当稳定的。相反大地是导电的，大地的电荷能够快速变化。
近地大气电场，是太阳中负电荷电场与大气中正电荷电场的矢量和，在地球的向阳面，太阳负电荷电场方向垂直向上，大气正电荷电场方向向下，两者方向相反，使垂直向下的大气电场值减小。因大气的正电荷量不变，大气电场值的减小，意味着向阳面的地面正电荷量增多。这相当于在太阳电场的作用下，向阳面感应产生了正电荷。只不过产生的正电荷数量少于大气中的正电荷，此时的近地大气电场还是垂直向下的。为直观起见，我们把近地大气中的正电荷忽略掉，只考虑太阳和地球之间的静电作用。
如果太阳中真的带有净负电荷，根据上面分析，那么白天的近地大气电场数值应小于晚上。一般情况下，日出后由于环境污染，大气气溶胶增多，再加阳光紫外线的电离作用，近地大气电场在白天是上升的。在污染比较轻的地方，如太原市小店大气电场检测点在 2009 年 7 月 2 日采集的近地大气电场值，还是表现出白天逆势下降的原本规律。从图看记录的大气电场变化曲线看出，在日出后大气电场明显值减小了，这就证明太阳是带负电的。
图 7
太原市小店大气电场检测点在 2009 年 7 月 2 日采集的近地大气电场值
图 8
福建建阳大气电场检测站 2008 年 10 月 22 日检测的大气电场数据曲线
图 9
图中黑色曲线是山东省莒县仙姑山监测点在 2021 年 3 月检测到的地下 带电粒子变化情况，地下带电粒子在日出后显著减小，日落时分前回升到最大值。
为叙述方便，把阳光垂直于地面的点叫光垂点。由于地球是有一定曲率半径的球体。平行的太阳电场矢量在地球表面光垂点外，电场矢量不再垂直于地面，与地面的水平面有一定夹角，见下图。
图 10 日地电场正垂点示意图
这时电场矢量可分解成垂直于地面的分量 fy，和在球面切点处沿水平方向的分量 fx。所有 fx都指向光垂点。受太阳负电荷静电引力作用下，地面感应的正电荷都沿 fx 方向汇聚到光垂点周围。在光垂点处电荷多，远离光垂点处正电荷逐渐减少。形成一个类似月牙型的中间厚周边薄的正电荷斑块。由此可见，地面处在光垂点处的大气电场值要小于周边区域。
由于光垂点在南北回归线之间来回摆动，在冬季偏向南半球，夏季偏向北半球，从而使北半球夏季地表面感应的正电荷多于冬季，从而使夏季近地大气电场值也小于冬季。下图是太原市小店大气电场检测站在 2009 年年变化曲线。
图 11
太原市小店大气电场检测点在 2009 年年变化曲线
7、8 月份太阳直射点在北回归线附近，地面感应正电荷增多，相对来说地面负电荷减少，因近地
大气电场是方向是垂直向下的，地面正电荷增多，垂直向下的近地大气电场就减小，在冬季的 11 月至来年的 1 至 3 月份太阳直射点在南半球，此时北半球感应的地面正电荷减小，相应负电荷增多，从图中可明显看出地电场的这种规律变化。所以近地大气电场增加这些事实也说明；近地大气电场确实受日地静电影响。
因地球的自转，使向阳面的正电荷斑块跟随光垂点由东向西运动，地球背阳面的正电荷在向阳面正电荷的排斥推挤下也由东向西运动，形成一股环绕全球的电流。这好像在地球的向阳面由太阳电场的作用形成了发电机，西边为正极，东边为负极。地球的背阳面好像一段导线，连接发电机的两极，于是就形成了闭合的电流回路。由太阳负电荷的感应，在地球地层中产生的电流，叫日地静电感应电流。
一般在进行地电场检测时，需在大地中埋设两个电极，检测的地电场值，实际是测量的地层电流在两电极间地电阻上产生的电压降。在无降雨灌溉干旱等改变电极间环境时，两电极之间的大地电阻值一般不会变化。地电场的大小反映了地电流的大小。这电流就包含了日地静电感应电流。单纯由日地静电感应电流在两极间电阻上产生的压降，叫日地静电感应地电场。
4 4 、日地静电感应地电场的变化规律
大量的地电场检测数据显示，大地电场有特定的变化规律。主要是 24 小时周期，还有 12 小时，8 小时等固定周期。是什么机制产生的这种周期变化呢。
地球上有海洋陆地，有干燥的沙漠岩石裸露的高山，所以地球表层各处的电阻率各不相同，当电荷斑块处在这不同环境时产生的电流也就不同。由此各地检测的地电场值也就随之变化。
下图是临汾地震台东西向 2009 年 7 月 25 日地电场分钟值曲线，曲线显示出典型的地电场日变化规律。为说明地电场变化规律，特配世界地图如下。
图 12 地电场日变化与正垂点的对应图 在 7 月份光垂点靠近北回归线，电荷斑块沿北回归线由东向西移动。北京时间 5 点多出太阳，光垂点在太平洋东海岸，此时电荷斑块还影响不到我国，亚洲大陆的地电流处于较低值。因此临汾地电台检测到的地电场数值不高。
在 8 点后，电荷斑块靠近亚洲大陆，光垂点处于太平洋上。因海水电阻率较低，因此电荷斑块产
生...
