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[转帖]雷电的形成机理

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发表于 2003-2-20 14:57:00 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
LBSALE[100]LBSALE[这个贴子最后由通天雷神在 2003/09/02 03:09pm 第 1 次编辑]

雷电的形成机理[太湖科普资源网]  

大气物理学的一个分支。主要研究电离层以下大气中发生的各种电现象和它们的 产生与相互作用过程的规律及应用。远古人类对雷电现象充满恐惧,18世纪中叶(1752 年6月)美国B.富兰克林的第一次风筝探测雷电试验以后,雷电的本质逐渐被人类认识, 20世纪20~30年代以后,人们逐步对云中起电,闪电和雷的物理特性、形成机制等进 行研究产生了大气电学。大气电学有两大主要部分:晴天电学和扰动天气电学。晴天 电学主要研究晴天大气电场、大气电导率、地空电流和全球大气电平衡等;扰动天气 电学主要研究雷雨云电结构和起电机制、雷与闪电过程、尖端放电过程与避雷方法等。 人工影响雷电在目前只处于初期探索阶段,随着大气电学的发展和科学技术的进步, 人类最终将会实现人工影响和控制雷电。在当今,大气电学对人民生活和对电力、电 信、建筑、航空等部门都有重要意义。
i) 大气电场   把地表面视为下极板、电离层导电层视为上极板,组成巨大球形电容器,两极板 中间的大气基本不含电荷,上极板导电层含有正电荷,下极板的地表面含负电荷,这 巨大电容器中间的电场称大气电场。规定大气电场方向从低电位的地面朝上(与物理 学静电学规定相反)。尽管雷雨云移到某处时,雷雨云底部与相对应下垫面间的电场 方向是向下的,但对全球而言,雷雨云区所占比例很小(约1%),故总体大气电场的 方向是朝上的。晴天电场常被看作正常大气电场,其场强随纬度增大而增强、随离地 面高度而变小,全球平均看,陆区地表面附近电场强度为120伏/米左右,海面上则约为 130伏/米。在工业区污染严重、气溶胶粒子多的地方,晴天电场强度可达300~400伏/ 米。晴天电场场强随高度减弱是很强烈的,在10公里高度处的值仅为地面值的3%即约 4伏/米。晴天电场强度有日变化和年变化。陆面在地方时04-06时和12-16时出现极小值, 07─10时和19─21时为极大值;一年之中,冬季为极大值、夏季为极小值。在海面和 两极地区,在世界时19时出现极大值,04时左右为极小值,这些地区大气电场年变化不 明显。
ii) 大气电导率和离子迁移率
  大气不仅含中性分子和原子,还含有一些离子,这些离子分为轻离子(由几个分子 聚集在一起而带一个正电荷或负电荷,直径约千分之一微米)和重离子(荷电的气溶胶 粒子,常带一个正电荷或负电荷,比轻离子大成千上万倍)。描述大气离子在电场中移 动快慢的参数称迁移率,由于大气离子基本上都只带一个单位电荷,所以在同样的电场 强度的电场中,轻离子的迁移率要比重离子的大得多。例如在场强为1伏/厘米的电场中, 大气轻离子移动速率为115厘米/秒, 而重离子的移动速率只是这个数的几百分之一。
  大气电学中,把正比于大气离子浓度和迁移率乘积的参数称为大气导电率λ,λ随 高度按指数律增加,这与大气电场强度随高度的变化趋势相反。大气导电率比铜的电导 率640000/欧姆·厘米要小得多,大气的导电性是很弱的。当用J记大气电流密度,用E 代表大气电场强度, 则有关系式J=λE成立。其中J是不随 高度变化的。
iii)地空电流在晴天大气电场作用下,大气中的正离子向下运动、负离子向上运动,如此形成的 微弱电流称地空电流。这电流是比较稳恒的,不随高度变化,把这个微弱电流与地球表 面积相乘,便得到全球地空电流的总电流强度为1800安培,如果只存在晴天地空电流, 那么在1800安培电流放电的情况下,只需要几分钟,便可使地表面这个巨大“电容器” 下极板的负电荷全部中和而使其电荷消失。因此,必定存在与晴天地空电流相反方向的 补偿电流,把地表面的正离子输向大气(向地面输入负离子),以维持晴天大气电场基 本不变,这就是闪电电流和尖端放电电流等。 雷雨云电结构模式没有雷雨云便没有雷电,因此对雷雨云的探测研究是十分重要的。在20世纪30年 代以后,人类通过施放大量探测气球,获得了较丰富的资料,总结出最早的雷雨云电 结构模式如图所示:存在两个主电荷中心,云底附近另有一个次电荷中心。它们分别 是中心位于约6公里高度处,约含+24库仑电量的正电荷中心、中心位于约3公里的、 约含─20库仑的负电荷中心、中心位于1.5公里、含有约+4库仑电量的次电荷中心。 后来虽然也提出过许多雷雨云电结构的种种模式,对荷电中心的高度,荷电量进行 修正,甚至也有倾斜形式的电结构模式,但至今并无一致公认的比前述原始模式更合理 的模式,因而原始模式仍是当前常用的模式,它也称雷雨云电结构的电偶极子模式。
v) 雷雨云起电   雷雨中的电荷怎样产生的?怎样形成上、下荷电中心?由于雷雨云内部观测十分 困难和危险,要对上述问题作出圆满的解答,目前还作不到。曾提出过几种雷雨云起 电的理论,例如感应起电理论、温差起电理论、大水滴破裂起电理论、冰的融化起电 理论等,它们都只能部分地解释云内电荷分布观测事实。例如感应起电理论便这样认 为:在晴天电场作用下,云质粒和降水质粒(固态或液态质粒,比云质粒大得多)都 被感应而极化,它们的上半部带负电、下半部带正电。因降水质粒下降速度大,故常 与路途中的云粒子相碰,一部分粒子被捕获,另一部分云粒子被弹开,但把负电荷留 下,而成为带正电荷粒子,在云中上升气流作用下,这样的云粒子便聚积于云的上部, 在那里形成正电荷中心。经碰撞后带正电的降水质粒重,有的掉出云去,其余便聚积 于云下部或中部,形成负电荷中心。又例如冰的融化起电理论认为:固态降水粒子( 冰粒子)降到0℃层以下便融化,原来冰隙中的空气变成气泡并破裂,溅散走一些带负 电的小滴粒,于是融化粒子(即水滴或冰水混合体)带正电,在云底强上升气流区域聚 积,形成一个带正电的次电荷中心。
vi) 打雷和闪电   当天空中乌云密布,雷雨云迅猛发展时,突然一道夺目的闪光划破长空,接着传 来震耳欲聋的巨响,这就是闪电和打雷,亦称为雷电。就雷的本质而言,它属于大气 声学现象,是大气中的小区域强烈爆炸产生的冲击波而形成声波,而闪电则是大气中 发生的火花放电现象。
  闪电通常是在雷雨云的情况出现,偶尔也在雷暴、雨层云、尘暴、火山爆发时出 现。闪电的最常见形式是线状闪电,偶尔也可出现带状、球状、串球状、枝状、箭状 闪电等等。线状闪电可在云内、云与云间、云与地面间产生,其中云内、云与云间闪电占大 部分,而云与地面间的闪电仅占六分之一,但其对人类危害最大。
vii)闪电过程   肉眼看到的一次闪电,其过程是很复杂的。当雷雨云移到某处时,云的中下部是强 大负电荷中心,云底相对的下垫面变成正电荷中心,在云底与地面间形成强大电场。在 电荷越积越多,电场越来越强的情况下,云底首先出现大气被强烈电离的一段气柱,称 梯级先导。这种电离气柱逐级向地面延伸,每级梯级先导是直径约5米、长50米、电流 约100安培的暗淡光柱,它以平均约150000米/秒的高速度一级一级地伸向地面,在离 地面5─50米左右时,地面便突然向上回击,回击的通道是从地面到云底,沿着上述梯 级先导开辟出的电离通道。回击以5万公里/秒的更高速度从地面驰向云底,发出光亮无 比的光柱,历时40微秒,通过电流超过1万安培,这即第一次闪击。相隔几秒之后,从 云中一根暗淡光柱,携带巨大电流,沿第一次闪击的路径飞驰向地面,称直窜先导,当 它离地面5─50米左右时,地面再向上回击,再形成光亮无比光柱,这即第二次闪击。 接着又类似第二次那样产生第三、四次闪击。通常由3─4次闪击构成一次闪电过程。一 次闪电过程历时约0.25秒,在此短时间内,窄狭的闪电通道上要释放巨大的电能,因而 形成强烈的爆炸,产生冲击波,然后形成声波向四周传开,这就是雷声或说“打雷”
。 viii)全球大气电平衡   就全球而论,晴天大气电流、降水电流、闪电电流和尖端放电电流等四者的向上、 向下电流达到动态平衡,称全球大气电平衡。
  据估算,全球晴天大气电流为1800安培,方向是向下的。到达地面的降水物(雨 滴、冰雹、雪花等)有的带正电荷,有的带负电荷,但总体而言,降水是向地面输送 正电荷,全球因降水而形成向下的电流是600安培。全球每秒钟约发生100多个闪电, 其中1/5~1/6为云地闪电,以每次云地闪电使大气向地表输送20库仑负电荷来计算,可 估计得全球因闪电造成的向上电流为400安培。人造尖端或自然尖端的放电电流,方向 是向上的,电流总数值约200安培。上述四项电流达到平衡,使之可稳定地维持全球地 表恒定拥有巨大数量的负电荷,维持全球有恒定的大气电场。
ix) 尖端放电与避雷针   在强电场作用下,物体曲率大的地方(如尖锐、细小的顶端,弯曲很厉害处)附近, 等电位面密,电场强度剧增,致使这里空气被电离而产生气体放电现象,称为电晕放 电。而尖端放电为电晕放电的一种,专指尖端附近空气电离而产生气体放电的现象。
  当雷雨云过境时,云的中下部是强大负电荷中心,云下的下垫面是正电荷中心, 云与地面间形成强电场,记地面电位为P,则依次各等位面记为P─1,P─2,......。 在地面凸出物如建筑物尖顶、树木、山顶草、林木、岩石等尖端附近,等电位面就会 很密集,这里电场强度极大,空气发生电离,因而形成从地表向大气的尖端放电。
  避雷针是一根耸立在建筑物顶上的金属棒(接闪器)与金属引下线和金属接地体等三 部分组成的防雷装置。它的作用是使可能会袭击建筑物的闪电吸引到它上面,再进入地 里,借以保护建筑物。关于避雷针为何能防雷的机制,尚待进一步研究。有人认为避 雷针的尖端放电,中和了雷雨云中积累的电荷,起到了消除电的作用,但近年来通过 尖端放电电量计算, 其远不能中和所有电荷。
x) 人的闪电防护   雷呜电闪时在门外的人,为防雷击,应当遵从四条原则。一是人体应尽量降低自 己,以免作为凸出尖端而被闪电直接击中。二是人体与地面的接触面要尽量缩小以防 止因“跨步电压”造成伤害。所谓跨步电压是雷击点附近,两点间很大的电位差,若 人的两脚分得很开,分别接触相距远的两点,则两脚间便形成较大的电位差,有强电 流通过人体使人受伤害。第三是不可到孤立大树下和无避雷装置的高大建筑体附近, 不可手持金属体高举头顶。第四是不要进水中,因水体导电好,易遭雷击。总之,应 当到较低处,双脚合拢地站立或蹲下, 以减少遭遇雷的机会。
  雷电期间在室内者,不要靠近窗户、尽可能远离电灯、电话、室外天线的引线等; 在没有避雷装置的建筑物内,应避免接触烟囱、自来水管、暧气管道、钢柱等。

沙发
发表于 2003-2-20 16:33:00 | 只看该作者
倒……………这么......科普啊?
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