空间及大地电场总述（一）
空间及大地电场总述（一）
临沂大学沂水校区------陈维会
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等离子气体球。
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。
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，整体呈电中性。
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10兆电子伏特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，说明了两个问题：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，产生静电场。
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 日珥及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。假设如果太阳存在静电场，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、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。
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地面附近，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，因高斯面内陆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、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、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，因此电荷斑块产生的电流较大，地电场数值上升。
在11点电荷斑块已进入亚洲大陆，因大陆的电阻率远大于海洋，电荷斑块产生的电流减小，因此地电场数值开始减小。
在减小的过程中，由于光垂点经过的地点不同，地电场值也会出现小幅波动。如13点光垂点到达泰国陆地，地电场值有小的谷底。14点光垂点进入印度洋，地电场又会出现小的峰值，15点光垂点进入印度大陆，地电场值又出现谷底。
在18点后临汾地电场检测台进入背阳面，地电场检测值恢复到平均水平。但还会受到光垂点处的地层环境影响，如21点光垂点进入大西洋，电荷斑块引起的地电流由增多，检测的地电场也出现增高现象。
冬季，光垂点在南回归线附近，光垂点经过的地域不同，全球性的地电流有所变化，但在北半球地电检测点的地电场值还受北半球地域影响，所以检测点的地电场变化规律有所改变。
因光垂点沿北回归线移动，交替的经过海洋陆地不同电阻率的地方，由此出现了光垂点绕地球一圈时，地电场24小时变化周期；白天电流主要集中在电荷斑块周围，地电场值较大，晚上电流比较分散，地电场值变小。昼夜各约12小时，地电场便有12小时变化规律；4点到12间的8个小时，光垂点在太平洋中，产生的电流较大，因此地电场又有8小时变化规律；光垂点需经约4小时才能移出亚洲大陆进入阿拉伯海，地电场又有了4小时变化规律；光垂点经过泰国陆地，孟加拉湾海，印度大陆，阿拉伯海时，地电场有1—2小时的变化规律。
图13 地电场变化与经度的关系
在我国同一纬度线上，从东向西依次排列的郯城，周至，大武，和田地电场检测点检测的地电场周期规律曲线，排列在同一坐标线中可看出，随着光垂点从东向西依次延时，地电场的谷底点也相应延迟。在东边的郯城阳光垂直照射地面的时间约12点，西边的和田阳光垂直照射地面的时间约为15时左右，完全与实际检测数值相符。
这些实际检测的地电场变化规律与光垂点移动路径上电阻率，及光垂点到达时刻的变化完美匹配，证明地电场变化规律确实由太阳的静电感应引起。
5、地球磁场
很早人们就对对地球磁场进行了深入研究，提出了许多假设，目光大都聚焦在地核中，但都没有统一认识。
图14 地球感应电流流经路径与地磁示意图
电荷斑块跟随光垂点移动时会形成由东到西环绕地球的电流。这电流必定会形成磁场。因电流主要通过电阻率较低的海洋。所以电流不会严格跟随光垂点的轨迹沿赤道直线流动。在东经110度附近，受南美大陆的阻挡，电流主要通过赤道以北的加勒比海，电流路径向北偏移了15度左右。而地球背面的东经70度附近，受欧洲大陆和印度大陆阻挡，通过印度大陆的电流密度较低。因电流产生的磁场与电流强度成正比，所以北磁极会偏向电流强的地方，沿东经110度线向南偏移约15度。在电阻率较小的太平洋和印度洋，电荷斑块会产生较强的电流。受印度尼西亚群岛及菲律宾群岛的阻碍，电流向南偏移，主要通过澳大利亚北部的珊瑚海。这里是连接广大的太平洋和印度洋的电流通道，所以这里的电流强度比其他地方大许多。所以南磁极点没有出现在东经70度线上，而是向东弯曲至东经135度左右，向北移出了南极圈，靠向电流较强的珊瑚海。这就像一个弯曲的线圈，由此产生的磁场也是弯曲的，所以地球两磁极点与地理南北极不重合。在一年中，光垂点在南北回归线间摆动，使围绕地球的电流环流路径也发生变化，这除了磁场强度变化外，南北磁极点也发生漂移。另外洋流，气象干旱也会改变电流路径及流经电流密度，从而改变地磁南北极的位置。
二、电离层感应地电场
地球大气外层的稀薄气体，由于受地球以外宇宙射线及太阳紫外线作用，中性的原子和空气分子被电离，产生自由电子和正、负离子，形成等离子体区域即电离层。电离层从宏观上呈现中性。这种相对静稳的电离层在大地中不会产生地电场。
电离层并不是整体静止或处处均衡的，那里也存在着对流与随机的热运动等。正负离子在运动时会受到地球磁场的洛伦兹力，带电粒子的分布是在其平均值上叠加着随机的起伏，使正负电荷与粒子密度不再均衡分布。在某些地区还可能存在浓度较高偏离电中性的云雾状团块，而且这些云雾团块都是随时间变动的。这必定会在地层中感应产生地电场。
当太阳风掠过地球，特别是太阳耀斑爆发，发生质子事件或电子事件时，高能带电离子会闯入地球磁场内，在地磁场的作用下带电粒子沿磁力线旋进，向两级靠近。见下图。
图15 带电粒子在地球磁场中的运动示意图
这些带电云雾在旋进时，时而强时而弱，也会在地层中产生感应地电场。因带电云雾绕地球磁力线旋进的半径与太阳风离子能量有关，与带电离子的质量有关。所以地电场的频率也就非常丰富。太阳抛射的高能离子流是否对准地球，抛射的规模，离子能量等决定着进入地球磁场带电云雾的规模，从而影响到地电场的幅度。在强干扰期间，高纬度地区甚至可达10伏／公里。
三、台风、风暴云层感应地电场
在大气的对流层，无论冬夏大气均会产生对流。特别是夏天强烈的对流使云层带电，带电的云层会使地面感应出较强的地电场。无论是空中云层间放电，还是云层与地的放电，都会引起地电场剧烈变化。这不仅对地电场造成干扰，对地电场检测设备也造成很大的危害。
近地大气在太阳紫外线的作用下会电离，电离产生的电荷大多凝聚在气溶胶上。地面的沙粒在风的作用下相互摩擦也会产生电荷，并随气溶胶扩散到近地大气中。气溶胶的分布是不均匀的，城市，工矿区上空气溶胶含量比原野高出许多倍。这些气溶胶气团随风移动时，必定会在地层中感应出地电场。这时虽然天空没有云，但有我们看不见的电荷云，所以风也会引起地电场的变化。
以上介绍的普遍大地电场均与地震无关，是干扰。