雷电的基本知识

本章研究的基本问题大气中的雷电是如何产生的？雷电现象有那些表现形式？雷电流的特征是什么？它是怎样危害人的生命和财产的？雷电的基本知识§1.1 概述1.1.1 中国古代对雷电的认识1、东汉哲学家王充（27~97年）2、北宋科学家沈括（1031~1095）3、明代科学家方以智（1611~1671）对雷电现象作了忠实客观记述，反对以鬼神 来说明雷电及其灾害在这一千多年历史中，对 雷电的认识没有什么大的变化早于欧美逾千年 以上，而研究并明了其本质却又晚于欧美百余年 这一现象在其他自然科学领域也存在中国本 是文明古国，而近百年来累遭列强侵略，科学技 术落后甚多，思索其原因是非常必要的 王充在《论衡》中对雷电就作过如下描述:“雷者火也以 人中雷而死，即询其身，中火则须发烧憔中身则皮肤灼嘻， 临其尸上闻火气，一验也道术之家，以为雷烧石色赤，投于 井中，石憔井寒，激声大鸣，若雷之状，二验也人伤于寒， 寒气入腹，腹中素暖，温寒分争，激气雷鸣，三验也当雷之 时，电光时见，大若火之摧，四验也当雷之击，时或播人室 屋及地草木，五验也夫论雷之为火有五验，言雷为天怒无一 效沈括著《塔梦溪笔谈》描述更详:“内侍李舜举家曾为雷暴所 震。

其堂之西屋，雷火自窗间出，赫然出槽人以为堂屋已焚 ，皆出避之及雷止，其舍宛然，墙壁窗纸皆黔有一木格， 其中杂贮诸器，其漆器银扣者，银悉熔流在地，漆器皆不焦灼 有一宝刀，极坚钢，就刀室中熔为汁，而室亦俨然人必谓 火当先焚草木，然后流金石.今乃金石皆拣而草木无一毁者，非 人情所测也佛书言，‘龙火得水而炽，人火得水而灭夕，此 理信然方以智进一步概括之:“雷火所及，金石销熔而漆器不坏1、16世纪近代科学先驱英国弗兰西斯.培根（1561~1626） 法国勒内.笛卡儿（1596~1650） 意大利伽利略（1564~1642） 1)、把科学实验提到了很重要的地位2)、正确的科学思想和科学方法，对当时及后人产生重 大作用 2、18世纪英国伦敦皇家学会馆长的豪克斯比，1706年用玻璃 棒摩擦起电，发现静电放电产生的闪光与闪电很相似英国华尔1907年用琥珀摩擦起电，发现放电不仅产 生闪光，而且产生类似雷鸣的响应把实验室中的电和 自然界的闪电联系起来，即科学猜想1.1.2 欧美雷电科学建立3、美国科学家富兰克林（1706~1790），以科学 的理性思维探索了雷电的本质将云中的闪电 引到地面来作实验鉴定。

是雷电科学发展史上 关键的一步解决了雷的定性认识1751年富兰克林著作《电的实验与观察 》，指出：“关于尖端的功能的知识，可以为 人们利用来保护房屋、教堂、船等避免闪电袭 击，其方法是在这些物体的最高顶上固定一支 更高的镀金的磨尖铁棒，在其下端接一导线挂 在建筑物外通到地下，对于船则是通到水中 ” 这张图形象地表明 本杰明·富兰克林著名 的闪电实验，他于1752 年发现闪电带电富兰克林把一个 金属钥匙绑住风筝线端 ，在雷雨天把风筝放到 天上去很幸运他没有 被电击 避雷针防雷法， 亦称富兰克林法这是 一种最古老、最传统的 防雷方法4 4、英国科学家开尔文（、英国科学家开尔文（1824~19071824~1907）设想，用气）设想，用气 球带仪器到高空去测量不同高度的电场，开创球带仪器到高空去测量不同高度的电场，开创 了定量研究闪电的工作了定量研究闪电的工作1.1.3 20世纪大气电学的发展1、大气导电的研究发现大气中存在带有正电或负电的粒子研究大气中带电粒子的来源、分布和运动规律，研究大气中带电粒子的来源、分布和运动规律， 成为雷电科学中非常重要的部分成为雷电科学中非常重要的部分。

研究得出（（1 1）地层存在放射性元素）地层存在放射性元素 （（2 2）宇宙射线）宇宙射线（（3 3）太阳的紫外线（电离层））太阳的紫外线（电离层）2、闪电的研究：（1）利用移动照相法发现，一次闪电是由多次放电 组成，在多雷的南非拍得一批闪电照片（至今仍被人 们作为经典的实验证据），显示出闪电的结构特性2）提出关于闪电先导理论3、关于雷雨云起电的机制和云中电荷分布的研究：（1）冰的光电效应 （2）水滴破碎的带电（3）雪花之间碰撞起电 （4）毛细管静电计测量闪电时电场的垂直变化2020世纪世纪5050年代后，这与二次世界大战有密切关系年代后，这与二次世界大战有密切关系 雷达技术、航空、航天的发展，使大气电场测量有雷达技术、航空、航天的发展，使大气电场测量有 了很大发展，雷电科学的发展进入一个新时期了很大发展，雷电科学的发展进入一个新时期1.2.1大气电场1、地球 ：带电球体模型 — 大气电场§1.2 大气电平衡（2）实际：负电荷分布不是均匀的1）理想：带负电荷5.4  10 10 5 5C ，空中指向 地球表面的大气电场1.1.4 2121世纪雷电科学的展望世纪雷电科学的展望1、用场的理论和非线性理论研究雷电。

2 2、进行有关雷电的各种实验进行有关雷电的各种实验3 3、改进雷电监测手段改进雷电监测手段2、空气中的带电离子（1）电离源地壳中放射性物质，大气中的气态放射性物质， 宇宙射线 （2）电离和复合达到动态平衡，大气总是带正电 （3）正、负电荷构成大气电场的两个极性端1）随高度增加而减小（图1.2）（2）世界各地地面晴天大气场的平均结果（表1.1 ）3、大气电场电场 分布情况1、大气的等效模型由四层物理性能不同的部分构成电离层（暖层） ， 中间层，平流层，对流层对流层为大气最低层，约十几公里高度以下，在电 离源的作用下，产生悬浮的正、负空气离子1.2.2 大气中的电流2、带电离子平均速度系数k为离子迁移率（与离子大小，大气密度有关） ，E为大气电场4）位移电流 jd ：大气电场发生变化时形成3、 体电荷密度与不同地区，大气高度，时间差别很大，地表 面的气体电荷密度平均值大约 4、大气电流（1）传导电流 ： 指空气中带电正、负离子在大 气电场作用下定向迁移运动 （2）晴天大气对流电流 ：指对流层中气团携 带 电荷一起移动 （3）晴天大气扩散电流 ：大气电荷因湍流和扩 散而形成。

1.2.3大气电平衡 1、地球表面负电荷维持恒定值 — 5.4  10 5 C （1）大气电流使负电荷要减少； （2）降雨电流使负电荷要减少； （3）尖端放电使负电荷增加； （4）雷暴活动使负电荷增加这是地球表面负电荷 维持恒定值的必不可少的条件）动态平衡，维持恒定值 一般表达式一般情况下，贴近地面的传导电流、对流电流、扩 散电流的数量级相近，其电流密度数量级约为 地球表面晴天的传导电流密度约为 根据地球表面积，则传导电流约为1500A晴天大气电流是大气电的消耗者，闪电电流是晴天大气电流是大气电的消耗者，闪电电流是 大气电的制造者大气电的制造者§1.3 雷（雨）云1.3.1 雷（雨）云的形成1、常见云的分类：卷云、卷层云、卷积云、高层云 、高积云、层积云、雨层云、积云、积雨云共9种（见 教材表1.2）2、雷（雨）云：指产生闪电的云，即积雨云3、积雨云的形成（见教材图1.4）形成雷（雨）云的三个条件：（3）大气对流2）太阳照射，水蒸气上升凝结成小水滴；（1）空气中必须含有充分的水蒸气；积云阶段秃积雨云阶段鬃积雨云阶段（a）积云阶段：由 一个或多个云塔表征（c）消散阶段：由 下沉气流和不断削弱 的对流性降雨表征（b）成熟阶段：由 同时存在的上升气流 和下沉气流以及降雨 共同表征4、气团雷暴由若干个云胞（雷暴单位）组成，整个雷暴 生命期可长达几小时。

雷暴单位就是有明显边界的大云团，且生命 期约一小时（积云阶段小于15分钟，成熟阶段小 于30分钟，消散阶段约30分钟）5、锋面雷暴锋：指冷气团和热（暖）气团的过渡区域 暖锋雷暴：指由暖气团冲击冷气团形成 冷锋雷暴：指由冷气团冲击暖气团形成 6、地形雷暴暖空气经过山坡或山地的迎面风被迫抬升而 造成的雷暴1.3.2 雷（雨）云的电结构1、雷（雨）云的分成三个电荷集中区（公认 的典型电结构模型）高度（km）108642+4C-20C+24C-30 -30 0 0C-8 -8 0 0C-1.5 -1.5 0 0C最高集中区为正电荷中间集中区为负电荷最低集中区为正电荷由于负电荷中心离地面近，正负电荷中心离地面 远，地面观测云多数带负电2、雷（雨）云中电荷分布结构受地理位置影响（1）电荷分布状况不相同； （2）集中区高度不相同； （3）温度分布不相同；（4）云体尺寸大小不相同3、对流云中大气电学量的常见值（见教材表1.3）（见教材图（见教材图1.61.6））1.3.2 雷（雨）云的起电机制1、感应起电学说：水滴（也可能是冰晶、雹粒）在垂直大气电场中 感应电荷，下端为正、上端为负 ，与大气中上升的 负离子的电荷中和，使水滴带负电，形成雷（雨） 云起电后的电荷分布。

2、温差起电学说：冰块中同时存在氢离子（ H H + +）和氢氧根离 子（ OH OH  ），由于冰块两端温度不同，会产生 发生离子扩散现象氢离子质量轻，扩散快， 冷端呈现带正电在对流气流和重力的作用下 ，形成雷（雨）云起电后的电荷分布由于大气电场的感应极化， 大水滴下降时，受 到气流作用发生破碎形成许多小水滴和几个较大水 滴小水滴带负电，较大水滴带正电由于云中的 电荷增多，大气电场又增大，如此循环，形成雷（ 雨）云起电后的电荷分布3、破碎起电学说：云中冷水滴与雹粒接触时，过冷水滴有了凝结 核，发生相变，迅速变成冰释放的潜热又使冰的 外壳破裂成冰屑，冰屑带正电随气流上升，较大的 水滴带负电留在原地或约下降，形成雷（雨）云起 电后的电荷分布雷（雨）云中部温度在 0 ~ -10 ~ -10 0 0C ，是过冷水滴 最多的区域，所以中部负电荷较多§1.4 闪电1.4.1闪电及分类1、闪电：指雷（雨）云中不同部分之间聚集的电 荷形成的电场（可达几百万伏/米），把云内或云 外的大气层击穿，产生的强火花放电4、冻结起电学说：（3）云地闪电：带电的云层对大地之间的带电的云层对大地之间的击穿放电 。

2、按闪电方式分类（1）云内闪电：带电云层内部带电云层内部击穿放电2）云际闪电：一部分带电的云层与另一部分带一部分带电的云层与另一部分带 异种电荷的云层之间的异种电荷的云层之间的击穿放电3、按闪电形状分类 （1）线状闪电：常发生在云地之间云地之间 （2）带状闪电：线状闪电的特殊情形3）片状闪电：发生在云云际之间的之间的线状闪电的 特殊情形4）联珠闪电：强线状闪电中偶尔出现的一种特殊 现象5）球状闪电：具有强烈的电磁效应和穿透金 属能力，形如火球，也称球闪或滚地雷线状闪电云内闪电联珠状闪电球状闪电1.4.2 云地闪（简称地闪）的结构1、地闪应具备的特殊条件（1）大地作为导体，感应的正电荷 可以自由流动2）积雨云中带电粒子之间仍是 绝缘的空气3）足够大的电场使绝缘的空 气击穿，形成导电通道2）扩展的结果使积雨云下端与大 地之间的电场强度增大，致使云下端 某些特殊地点的空气先击穿，形成向 下发展的流光，即形成一段（级）导 电通道，在导电通道前端会累集大量 负电荷2、地闪的全过程（1）积雨云中层的负电荷区与下层 正电荷区之间的的强电场产生局部区 域击穿，负电荷区扩展到积雨云下部 ，形成流光3）累积的结果，又使 下面空气被击穿，这样 不断重复上述过程，导 电通道逐步向下发展， 即形成梯级先导。

此过 程时间约20 ms 几个参数： 每级通道变化范围约3 ~ 200 m 平均速度约 1.5   10 10 7 7cm/s 间隙时间约 30 ~ 125 us 每一级的推进速度约 5   10 10 9 9cm/s 通道直径约 1 ~ 10 m。