大气电导率仪器研究

论文摘要

大气电学是研究电离层以下的大气中所发生的各种电学现象及其生成和相互作用的物理过程的学科,是大气物理学的一个重要分支。大气电学的研究是当前世界各航天大国所面临的共同课题,而大气电导率是大气电学中地球空间电动力学过程的重要参数,主要来源于银河系宇宙射线对大气的电离,在接近陆地表面的区域,电离的主要来源是放射性矿物和从土壤中释放的放射性气体产生的核辐射。全球大气电回路与人类活动紧密相关,而我国在大气电导率领域的研究几乎为一片空白。本文在对电导率实地测量技术进行分析研究的基础上,研制了实地测量大气电导率的简易系统,测量和分析了实验室大气电导率,为未来对中高层大气电导率的测量奠定基础。首先,本文详细介绍了大气电导率在全球大气电回路中的表现形式和重要作用,分析了正负极性大气电导率与正负离子浓度、迁移率的关系,并给出了晴天大气电导率的经验公式,总结了大气电导率测量技术在国内外的发展趋势和应用情况,结果表明,大气电导率因天气特征而有差异,并与大气污染程度密切相关。然后,本文给出了Gerdien电容式电导率仪的原理、设计方案和实现方法,根据探针的尺寸、所加电压和流经探针的风速等参数配置,采用I-V特性曲线法和V-t特性曲线法来测量大气电导率,根据此原理,设计并制作了简易测量系统,验证了实验原理,并进行了实地测量,得到了地面大气电导率在晴天、阴雨和沙尘天气下的实验数据。最后,本文对测量所得数据进行了分析和处理,实验结果表明,电导率的大小与天气变化和大气污染水平密切相关,污染程度大时,电导率变小。对实验数据的分析还表明,对于不同的仪器尺寸下的仪器电容,若电容越小,则所测得的输出电流对电导率的测量误差影响越大,对于同一仪器来说,若加在仪器上的电压越大,则输出电流对电导率的测量误差越小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 全球大气电回路当中的电导率
• 1.3 低层大气电导率
• 1.4 大气电导率
• 1.5 电离层电导率
• 1.6 晴天大气电导率
• 1.7 本文的研究内容
• 第二章 大气电导率测量技术的发展和研究现状
• 2.1 Gerdien 原型
• 2.2 机载电导率仪
• 2.3 正负离子电导率仪
• 2.4 大气离子浓度测量仪
• 2.5 组合探空仪
• 2.6 箭载大气电导率仪
• 2.7 本章小结
• 第三章 大气电导率的测量方法与测量原理
• 3.1 I-V 特性曲线法
• 3.2 V-t 特性曲线法
• 3.3 本章小结
• 第四章 简易测量仪器设计
• 4.1 系统设计方案
• 4.2 仪器尺寸设计和电压配置原则
• 4.3 装置设计
• 4.3.1 Gerdien 探针设计
• 4.3.2 微弱电流测量方案
• 4.4 本章小结
• 第五章 实验和数据分析
• 5.1 噪声来源
• 5.2 噪声耦合途径
• 5.2.1 电容性耦合
• 5.2.2 电感性耦合
• 5.2.3 电源耦合
• 5.3 屏蔽与接地技术
• 5.4 实验和数据分析
• 5.4.1 原始测量数据
• 5.4.2 数据处理
• 5.4.3 实验结果
• 5.5 误差分析
• 5.5.1 误差传递公式
• 5.5.2 测量仪器误差
• 5.5.3 Gerdien 探针引起的误差
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结
• 6.1 主要结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 符号
• 作者在读期间完成的论文
• 致谢