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1、2020/8/7,1,第三章大气基本物理过程,2020/8/7,2,8节，6学时,第一节 大气中雷电现象及过程 第二节 太阳的短波辐射 第三节 地球大气的辐射与传输 第四节 地球大气的辐射收支 第五节 大气中的相变过程与雨、雾、雪和冰雹 第六节 大气热力学 第七节 大气中绝热过程与位温 第八节 大气中静力平衡与静力稳定度,2020/8/7,3,大气科学是研究地球大气状态的演变和发生在大气中的各种动力、物理和化学现象、过程及其机理。 大气物理学是研究发生在大气中的各种物理现象、过程及其机理的科学。其研究对象包括： 大气的组成、成分与物理结构 水的相变与云雾降水的形成 辐射能的吸收、放射、传输及其
2、转换过程、能量交换 大气中的声、光、电现象,2020/8/7,5,一、大气中的雷电现象,雷电由雷声与闪电组成 雷电是主要的自然灾害： 影响航天、航空、通讯 毁坏建筑、电设备 致人伤亡。,2020/8/7,6,2008年9月20日到26日 四川共发生雷电闪击近12万次,四川在线消息： 四川省气象台发布近期雷电气象统计信息。22日晚到26日盆地西部出现了强雷暴和持续性暴雨天气过程，持续时间长、局地强度大。20日到26日，全省共发生雷电闪击118611次，创我省有雷电监测资料以来最高纪录。,上图 24日凌晨，成都再度遭遇强雷暴天气,闪电在云与地表之间发生，称为云地闪（下图）。 在云中发生，称为云内闪
3、。,2020/8/7,7,雷电知识,雷电是一种常见的大气放电现象。 在夏天的午后或傍晚，地面的热空 气携带大量的水汽不断地上升到高空，形成大范围的积雨云，积雨云的不同部位聚集着大量的正电荷或负电荷，形成雷雨云，而地面因受到近地面雷雨云的电荷感应，也会带上与云底相反符号的电荷。,2020/8/7,8,雷电知识,当云层里的电荷越积越多，达到一定强度时，就会把空气击穿，打开一条狭窄的通道强行放电。 当云层放电时，由于云中的电流很强，通道上的空气瞬间被烧得灼热，温度高达6000-20000，所以发出耀眼的强光，这就是闪电，而闪道上的高温会使空气急剧膨胀，同时也会使水滴汽化膨胀，从而产生冲击波，这种强烈
4、的冲击波活动形成了雷声。 一次雷击或者一次云闪所释放出的能量大约在300千瓦以上，如果把这些能 量全部利用起来，可供一个普通家庭使用2个月以上。 由于雷电释放的能量相当大，它所产生的强大电流、灼热的高温、猛烈的冲击波、剧变的静电场 和强烈的电磁辐射等物理效应给人们带来了多种危害。,2020/8/7,9,(一) “云地闪”过程,又称天地闪，破坏力大。 分四个阶段： 梯级先导 第1次回返闪电 直窜先导 第2次回返闪击,2020/8/7,10,云地闪的形成与演变过程图,梯级先导,第1次回闪,直窜先导,第2次回闪,2020/8/7,11,云地闪的形成,当雷雨云移到某处时，云的中下部是强大负电荷中心，云
5、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550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。,2020/8/7,12,云地闪的形成,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，这即第一次回闪。 相隔几秒之后，从云中一根暗淡光柱，携带巨
6、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550米左右时，地面再向上回击，再形成光亮无比光柱，这即第二次回闪。 接着又类似第二次那样产生第三、四次闪击。通常由34次闪击构成一次闪电过程。,2020/8/7,13,(二) “云内闪”过程,雷暴云内部的闪电 表现为云内移动的火花或先导 在云中正、负电荷区之间活动 产生暗淡而连续的光,2020/8/7,14,(三) 雷声,发生原因： 闪电通道中的空气因放电而猛烈升温，气压猛升，闪电通道很快向周围大膨胀，产生猛烈的冲击波，其中一部分大振幅的声波，这就是雷声。 雷声总是伴随着闪电而发生 但先看到闪电，后听到雷声 因为光波比声波传播快 光
7、每秒能走30公里，而声音只能走340米。 一般25km外就听不到雷声了,2020/8/7,15,(三) 雷声,美国富兰克林1752年的风筝实验 雷暴带电 雷的本质就是电 近代观测，云中强烈起电现象常出现于霰或雹等强烈降水过程 起电理论 热电效应起电 感应起电,2020/8/7,16,二、雷电的产生原因 (一) 热电效应,这种起电理论是基于冰的热电效应 对冰条一端加热温度差 水分子分解正负离子及差异（热的一端离子多） 离子浓度不均，产生迁移 正离子迁移率大，负离子几乎不迁移 温度低的一端+电荷，温度高的一端-电荷 形成一个电位差,2020/8/7,17,(二) 雷暴云热电效应的起电机制（两种）,
8、1第1种起电机制 含冰块和霰粒的混合云 水滴、冰晶与冰块相碰 过冷水滴释放潜热，雹块升温 冰晶带正电，雹块带负电 雹块下降，冰晶上升 雷暴云上部正电荷，下部负电荷 形成强的电位差,2020/8/7,18,(二) 雷暴云热电效应的起电机制（两种）,2. 第2种起电机制 假设有过冷却水滴与雹块相碰 表面结成的冰壳就向水滴内部增厚，冰壳内表面与水相接，温度为0度，而冰壳外部低于0度，冰壳内外形成温度梯度，冰壳的外表带正电 从冰壳外表飞出的小冰屑带正电，而冰块带负电 小冰屑上升，冰块下落 从而也形成了强的电位差。,2020/8/7,19,(三) 雷暴云的感应起电机制,云质粒与降水质粒受到极化，极化的结
9、果使它们下半部带正电，上半部带负电。 当云质粒与向下落的降水质粒下部相碰时，云质粒的负电荷会传到降水质粒上，若云质粒从降水质粒弹开来 则带负电的降水质粒向下运动，而带正电荷的云质粒随上升气流向上运动 这就会使雷暴云中上部带正电，而下部带负电，从而产生雷暴云的电位差。,2020/8/7,20,三、雷电的防护 (一) 避雷针技术,装置避雷针是避免雷击的有效方法。 在房屋最高处竖一金属棒，棒下端连一条足够粗的铜线，铜线下端连一块金属板埋入地下深处潮湿处。金属棒的上端是一个尖头或分叉为几个尖头 当空中有带电的云时，避雷针的尖端因静电感应就集中了异种电荷，发生尖端放电，与云内的电相中和，避免发生激烈的雷
10、电，这就是避雷针能避雷的一方面。 但这种作用颇慢，如果云中积电很快，或一块带有大量电荷的云突然飞来，有时来不及按上述方式中和，于是有强烈的放电，雷电仍会发生。 由于避雷针高过周围物体，它的尖端又集中了与云中电异号的电荷，如果雷电是在云和地面物之间发生，放电电流主要通过避雷针流入大地 因此，不会打在房屋或附近人的身上，只会打在避雷针上了。 由此可见，避雷针的尖端放电作用会减少地面物与云之间打雷的可能性；到了不可避免时，它自己就负担了雷的打击，房屋与人得到了安全。,北京展览馆,埃菲尔铁塔,应县塔,美国国会大厦,2020/8/7,22,(一) 避雷针技术,由于避雷针的构造和作用，我们要特别注意保持避
11、雷针的良好导电性。 一旦有一处联接不好，或断了，断口以上的一段就成为一个隔离的导电系统。如果放电，强大的放电电流只能通过建筑物放出大量热量，于是引起雷击。 这样不但不能避雷，反而还招来雷祸。 为防意外，高大建筑物最好竖起几条避雷针。 另外，每一又避雷针只能保护一定的建筑面积，对于较大的建筑物也需要竖起几条避雷针。,2020/8/7,23,人的闪电防护,雷鸣电闪时在室外的人，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
12、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、暖气管道、钢柱等。,2020/8/7,24,2020/8/7,25,(二) 雷电定位技术（闪电定位）,近年来发展起来的雷电防护技术之一，它可以提供雷击点的精确地理位置及时间演变特征 使电站、电网和通讯设备的设计，避
13、开多雷击发生处 为航天、航空服务 发现森林的雷击处，预防森林火灾 具有重要的应用价值。,2020/8/7,26,闪电定位仪 探测闪电发生的强度、方向、频率及其变化的仪器。,2020/8/7,27,(三) 人工引雷技术,20世纪70年代末以来，用火箭拖带接地的细金属导线对雷电进行人工引发，它可以使人们能够在一个可以控制的环境中研究雷电的物理过程及其雷电与建筑物、目标物的相互作用。 人工引雷的实质是在雷暴强电场作用下，火箭和细导线尖端处上行电荷的激发和传播并导致云中电荷的对地释放，这与一般目标物受雷击的物理过程是一样的 此技术可用来研究雷电危害的机理和检验各种避雷装备的防雷性能。 在军事、能源利用
14、上前景广阔。 人工防雷技术的实验广泛在法、美、日和我国进行。 中国科学院寒旱所（兰州）在这方面已有很多实验结果。,2020/8/7,28,(四) 消雷装置,从20世纪70年代以来，世界各地发明了各种消雷装置 如美国的消散阵系统 英国的雷电抑制器 我国的半导体长针消雷器。 这些装置虽可以大大减少建筑物或电讯设备遭受雷击的危害，但迄今有些设计的原理还不十分清楚。 总之，雷电的危害大，物理机制复杂，防雷技术不完美，还需进一步深入研究。 气象业务的多轨道雷电 视频：闪电,2020/8/7,29,第二节 太阳的短波辐射,2020/8/7,30,地球大气的能量几乎全部来自太阳。 太阳不断地向地球大气和地表
15、面发射电此磁波 由于太阳辐射99以波长小于4m的电磁波辐射，故又称短波辐射。 太阳辐射经过大气要被散射、吸收，并被地表面反射，其过程是很复杂的。,2020/8/7,31,一、有关辐射的几个定律 (一) 发射能力和吸收能力,从实验结果可知，在单位时间内从某一物体单位面积上向各个方向所发射的频率范围内的辐射能量可写成： E是频率和温度的函数，称为该物体在温度T时发射频率为(读nu) 的辐射能量的发射能力。 此外，当一定量的辐射照射在某物体表面时，其中一部分会被该物体吸收，其余部分则被反射或散射，或透过物体。 我们将物体吸收到的辐射与照射到的辐射总量之比称为吸收能力，记为A。 同样，A也是辐射的频率
16、和物体的温度的函数。,2020/8/7,32,(二) 基尔霍夫辐射定律,辐射与热平衡 假定一物体与其他物体之间只能通过辐射和吸收来交换能量，当该物体发出的辐射能量比吸收的能量多时，它的温度就会下降，这时辐射就会减弱；反之，当发射的辐射能量比吸收的能量少时，温度就会上升，辐射就会增强。 如果这一系统是封闭的，则经过一段时间后，物体之间就会建立起热平衡状态，此时各物体在单位时间内发出的辐射能量正好等于吸收的能量 因而，在热平衡状态下，辐射能力较强的物体，其吸收能力也就较强；反之，辐射能力较弱的物体，其吸收能力也较弱。,2020/8/7,33,(二) 基尔霍夫辐射定律,对地球大气，基尔霍夫定律都是成立的。 只要气体分子碰撞频率与吸收和发射的频率相比是较大的，那么基尔霍夫定律就适用于该种气体。 而在地球大气中，一直到60km高度（包括对流层和平流层），这个条件都是满足的，因而基尔霍夫定律是适用的。,2020/8/7,34,(三) 普朗克黑体辐射定律,也简称作普朗克定律或黑体辐射定律 根据黑体的定义，黑体它吸收所有波长的辐射，即吸收能力为1，又能发射
