地球压电三部曲之一

　　大气电场的产生原因
　　第一章 大气电场产生原因的一个假设
　　在介绍地磁场的产生原因之前，我们需要先探求一下大气电场的产生原因，因为，大气电场的产生原因的一个结论或者说是推论，再结合上地球的自转，恰恰是在地核处激发出感应电流从而产生地磁场的一个核心推动要素。在此之外，大气电场的产生原因的假说，恰恰可以解释地震时所产生的各种电磁异常比如地震光的自然现象；另外，对地震之前有时会出现的地震云，这个假说也可以完美解释，诸如这些和地震相关的自然现象的本质解释，我认为可以在地震预测方面，可能会有一些新的预测手段，具体的测试和地震预测的方法，我会在后面做一些说明。最后，这个大气电场产生原因的模型，我认为可以开辟出地球物理探测方法的一个全新的分支。
　　1、大气电场
　　提起大气电场，我们并不陌生。在地球的近地表面（0 20Km），存在一个由高空指向地面的电场，这个电场，被称作大气电场。
　　这个大气电场，在陆地地面附近，场强大约是120伏/米，在海洋上，场强大约是130伏/米。沿垂直方向，该场强随高度增加迅速降低，大约在20Km高度，场强接近与零。把场强强度与高度积分，可以得出地表与20Km高度的电势差大约为30万伏。
　　2、大气电场的产生原因
　　关于大气电场的产生原因，学术界目前没有一个合理的解释。有些专家认为是大气的运动使得高空中的电离层和地面带上相反的电荷，电离层带正电，地面带负电，这样就存在一个由电离层指向地面的电场，这个电场就是大气电场。
　　这个解释，我认为是有问题的，不足以解释已知的大气电场的各种性质。原因有两点：第一，大气电场的垂直分布特点是地面最大，随高度增加迅速减小。可根据上述模型，可以把地面和电离层作为一个电容，考虑到地球表面的半径为6600多公里，电离层距地面的高度仅仅几十公里，可以认为该电容器几乎近似为一个平板电容器，该电容器内部的场强近似为一匀强场强，这一点，同实际的大气电场严重不符。其二，该解释无法解释海洋上的电场强度比陆地高的现象。
　　3、一个新的假说
　　考虑到大气电场的空间分布特点，我们猜测，大气电场的产生原因不在于地表自上，而应该来源与地表之下。
　　根据大气电场的强度随高度向上迅速衰竭的分布特点，我们推测在地表之下存在一个沿深度方向连续分布的电偶极层，地表带负电，地下某个深度带正电。根据，大气电场在高空20km处几乎衰减到零，我们推测该电偶极层的厚度在几十公里，也就是该电偶极层的正极在地下几十公里处。
　　考虑到地壳的厚度大约在几十公里，我们有理由推测这个地下的电偶极层极有可能会是我们的地壳。也就是说地壳的下表表面和上表面之间等效为一个电容器，地面为负极，带负电；地壳的下表面为正极带正电。
　　如果上述模型是正确的，那我们会问地壳是如何带上电荷的呢？
　　考虑到地壳部分的岩石圈，由很多种矿石的成分都由压电效应，比如石英、电气石、铅锌矿等等（应该说，绝大部分矿石都有压电性，只是压电系数的大小不同而已，真正一点压电性都没有的矿石反而是极少的）。在地壳重力的压力下，该岩石圈会在相对的两个表面上产生等量异号的电荷，如果这个相对的两个表面恰好是岩石圈的上下表面，这个等效的电偶极层，可能就是我们上面推测的产生大气电场的模型。
　　4、合理的计算
　　1：地壳的等效电容
　　取地球半径为6670公里，地壳的平均厚度为33公里，地壳岩石圈的平均介电常数为6，则这个地壳的等效电容为
　　C=e*e0*S/d =6*8.85*10^-12*4*3.14*6670000^2/33000=0.899F
　　2、该电容器的电压等于大气电场的总电势，在此，取30万伏。则该电容器所带的电荷大致为： Q=300000*0.899=270000库仑
　　3、地壳上下表面所受的压力为：（大致取岩石圈的密度为3.5）
　　F=4*3.14*6670000^2*33000*3.5*1000*9.8
　　=6.32*10^23N
　　4、该地壳岩石圈在垂直方向的等效压电系数为
　　K=Q/F=4.27*10^-7pC/N
　　考虑到纯的石英在最大的电轴方向的压电系数为2.31pc/N。
　　整个岩石圈在垂直方向的压电系数达到纯的石英最大压电系数的百万分之一的数量级是完全有可能的。换言之，只要岩石圈的压电系数能达到天然石英压电系数的百万分之一的数量级，在地壳的重力之下，就完全可以在地壳的上下表面产生一个足以激发我们可以观测到的大气电场的效应。
　　5、该地壳电偶极子模型对大气电场的解释
　　考虑地壳的等效电偶极子模型可以知道，由于该电偶极子的厚度在几十公里，那么该偶极层对地面上空的影响范围也是几十公里。这同大气电场在20公里以上场强几乎衰竭到零是一致的。另外由于地壳岩石圈近似于绝缘体，压电效应的存在是整个岩石圈的内部存在连续的极化电荷，这一点也同大气电场沿垂直方向的电场变化相一致。最后，对近地表附近海洋上的电场强度比陆地高，该地壳电偶极层的模型也很容易解释；简单而言，海洋介电常数比陆地大，这就使得岩石圈这个等效电容在海洋上的电荷密度比陆地大，这就必然导致了在近地表面，海洋上的电场强度比陆地高。