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高层建筑避雷针都把雷电引导地球,那么地球能承担多高的电压?

     高层建筑避雷针都把雷电引导地球,那么地球能承担多高的电压?
     其实这样比较杞人忧天的问题也是挺有趣的。
先说结论。闪电可能会局部的短暂的改变某处或某物的电位。但从地球整体来看,闪电并不会改变地球所带的净电荷量。分开讨论地球和大气的话,由于雷电电流是大气电平衡的一部分,所以在其他机制的共同作用下雷电对地面的电位影响也不大。
       整体不变原因很好理解,积雨云带电是雷电产生的原因,但积雨云中的电荷并不是无中生有的。电中性的大气中产生一块带有负电的雷云,就一定会同时产生另一块带有等量正电的雷云。如果此时一个火星科学家测量地球和它的大气所带的总电量,会发现并没有变化。

但是如果分开讨论地球和地球大气,那雷电对地球表面所带有的电荷确实会产生影响。与许多人想象的不同,地球和地球大气都不是电中性的。在地面附近能够测量到大约100N/C的正方向向下电场。地球表面带有大约500000C的负电荷,而大气电离层中则带有大量的正电荷。电离层与地面间的电压为300kV。

       从某种意义上来说,地球就是一个天文学尺度的电容器。地面就是负极,电离层是正极,正负极极板间的大气处于电中性。这个电容器毫无疑问会产生正负极间的漏电。这种漏电,被称为晴天地空电流。晴天地空电流密度几乎不随高度的变化而变化,大约是3*10^-16A·cm^-2。这个量与地球表面积的乘积约有1800A,这就是晴天地空电流。
       每时每刻,都有1800A的电流从大气流向大地。地球所带有的500000C的负电荷却并没有在几分钟内放电完毕。某种机制在为地面补充负电荷,以维持全球大气电平衡。

在全球大气电平衡的左边,是每秒通过晴天地空电流方式通到地面的1800C和通过降水等方式通到地面的600C正电荷。而平衡的右边,是云地闪电对地球流入的负电荷和自然尖端放电后留在地面的负电荷。

       大部分的闪电都发生在云间,而雷云对地面的闪电则大多数是负电。每秒钟全球平均约有100个闪电,其中约20%击中地面,每个给地面带来约20A的平均电流。也就是说,因为雷电,每秒钟地球流入约400C的负电荷。
       除此之外还有尖端放电。因为大气电平衡的存在,所以可以粗略的估测因为人工和自然的尖端放电,地球可以每秒获得约2000C的负电荷。

       总的来说,负电荷流出地球的晴天地空电流、正电荷流入地球的降水电流、负电荷流入地球的雷电电流与负电荷流入地球的尖端放电电流,四者共同构成了大气电平衡。但是以上四者除了晴天地空电流外,测量都较为困难,估算的准确性相当的值得怀疑。有些陆地观测站的观测结果显示,“大气电平衡”并不平衡,每年地球都会额外的收入一些负电荷。这可能意味着他们没测准;也可能因为大气电流真的并不完全平衡,地球的负电荷还在增加;也可能意味着还存在其他的我们尚且未知的地球和大气间交换电荷的机制正在暗中维持着大气的电平衡。


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