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1、2022/4/301第三章大气基本物理过程2022/4/3028节，6学时第一第一节 大气中雷大气中雷电现象及象及过程程第二第二节 太阳的短波太阳的短波辐射射第三第三节 地球大气的地球大气的辐射与射与传输第四第四节 地球大气的地球大气的辐射收支射收支第五第五节 大气中的相大气中的相变过程与雨、程与雨、雾、雪和冰雹、雪和冰雹第六第六节 大气大气热力学力学第七第七节 大气中大气中绝热过程与位温程与位温第八第八节 大气中静力平衡与静力大气中静力平衡与静力稳定度定度2022/4/303n大气科学是研究地球大气状大气科学是研究地球大气状态的演的演变和和发生在大生在大气中的各种气中的各种动力、物理和化学力
2、、物理和化学现象、象、过程及其机程及其机理。理。n大气物理学是研究大气物理学是研究发生在大气中的各种物理生在大气中的各种物理现象、象、过程及其机理的科学。其研究程及其机理的科学。其研究对象包括：象包括：n大气的组成、成分与物理结构大气的组成、成分与物理结构n水的相变与云雾降水的形成水的相变与云雾降水的形成n辐射能的吸收、放射、传输及其转换过程、能量交换辐射能的吸收、放射、传输及其转换过程、能量交换n大气中的声、光、电现象大气中的声、光、电现象2022/4/304第一节 大气中雷电现象及过程2022/4/305一、大气中的雷电现象n雷雷电由雷声与由雷声与闪电组成成n雷雷电是主要的自然灾害：是主要
3、的自然灾害：n影响航天、航空、通讯影响航天、航空、通讯n毁坏建筑、电设备毁坏建筑、电设备n致人伤亡。致人伤亡。2022/4/3062008年9月20日到26日 四川共发生雷电闪击近12万次 n四川在四川在线消息：消息：n四川省气象台发布近期四川省气象台发布近期雷电气象统计信息。雷电气象统计信息。22日晚到日晚到26日盆地西部出日盆地西部出现了强雷暴和持续性暴现了强雷暴和持续性暴雨天气过程，持续时间雨天气过程，持续时间长、局地强度大。长、局地强度大。20日日到到26日，全省共发生雷日，全省共发生雷电闪击电闪击118611次，创次，创我省有雷电监测资料以我省有雷电监测资料以来最高纪录。来最高纪录。
4、 上上图 24日凌晨，成都再度遭遇日凌晨，成都再度遭遇强雷暴天气雷暴天气 n闪电在云与地表之在云与地表之间发生，称生，称为云地云地闪（下（下图）。n在云中在云中发生，称生，称为云内云内闪。2022/4/307雷电知识n雷雷电是一种常是一种常见的大的大气放气放电现象。象。n在夏天的午后或傍晚，在夏天的午后或傍晚，地面的热空地面的热空 气携带大气携带大量的水汽不断地上升到量的水汽不断地上升到高空，形成大范围的积高空，形成大范围的积雨云，积雨云的不同部雨云，积雨云的不同部位聚集着大量的正电荷位聚集着大量的正电荷或负电荷，形成雷雨云，或负电荷，形成雷雨云，而地面因受到近地面雷而地面因受到近地面雷雨云的
5、电荷感应，也会雨云的电荷感应，也会带上与云底相反符号的带上与云底相反符号的电荷。电荷。2022/4/308雷电知识n当云层里的电荷越积越多，达到一定强度时，就会把空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。气击穿，打开一条狭窄的通道强行放电。n当云层放电时，由于云中的电流很强，通道上的空气瞬当云层放电时，由于云中的电流很强，通道上的空气瞬间被烧得灼热，温度高达间被烧得灼热，温度高达6000-20000，所以发出，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
6、生冲击波，剧膨胀，同时也会使水滴汽化膨胀，从而产生冲击波，这种强烈的冲击波活动形成了雷声。这种强烈的冲击波活动形成了雷声。n一次雷击或者一次云闪所释放出的能量大约在一次雷击或者一次云闪所释放出的能量大约在300千瓦千瓦以上，如果把这些能以上，如果把这些能 量全部利用起来，可供一个普通量全部利用起来，可供一个普通家庭使用家庭使用2个月以上。个月以上。n由于雷由于雷电释放的能量相当大，它所放的能量相当大，它所产生的生的强大大电流、灼流、灼热的高温、猛烈的冲的高温、猛烈的冲击波、波、剧变的静的静电场 和和强烈的烈的电磁磁辐射等物理效射等物理效应给人人们带来了多种来了多种危害。危害。 2022/4/3
7、09(一) “云地闪”过程n又称天地又称天地闪，破坏力大。，破坏力大。n分四个分四个阶段：段：1.梯级先导梯级先导2.第第1次回返闪电次回返闪电3.直窜先导直窜先导4.第第2次回返闪击次回返闪击2022/4/3010n云云地地闪的的形形成成与与演演变过程程图梯梯级先先导第第1次回次回闪直直窜先先导第第2次回次回闪2022/4/3011云地闪的形成n当雷雨云移到某处时，云的中下部是强大负电荷中心，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。成强大电场。n在在电荷越荷越积越多，越多，电场
8、越来越越来越强的情况下，云底的情况下，云底首先出首先出现大气被大气被强烈烈电离的一段气柱，称离的一段气柱，称梯梯级先先导。n这种电离气柱逐级向地面延伸，每级梯级先导是直径约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、长米、长50米、电流约米、电流约100安培的暗淡光柱，它以平均安培的暗淡光柱，它以平均约约150000米米/秒的高速度一级一级地伸向地面，在离秒的高速度一级一级地伸向地面，在离地面地面550米左右时，地面便突然向上回击，回击的通米左右时，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是从地面到云底，沿着上述梯级先导开辟出的电离通道。道。20
9、22/4/3012云地闪的形成n回回击以以5万公里万公里/秒的更高速度从地面秒的更高速度从地面驰向云底，向云底，发出光亮无比的光柱，出光亮无比的光柱，历时40微秒，通微秒，通过电流超流超过1万安培，万安培，这即即第一次回第一次回闪。n相隔几秒之后，从云中一根暗淡光柱，携相隔几秒之后，从云中一根暗淡光柱，携带巨大巨大电流，沿第一次流，沿第一次闪击的路径的路径飞驰向地面，称向地面，称直直窜先先导，当它离地面，当它离地面550米左右米左右时，地面再向上回，地面再向上回击，再形成光亮无比光柱，再形成光亮无比光柱，这即即第二次回第二次回闪。n接着又类似第二次那样产生第三、四次闪击。通常由接着又类似第二次
10、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。次闪击构成一次闪电过程。2022/4/3013(二) “云内闪”过程n雷暴云内部的雷暴云内部的闪电n表现为云内移动的火花或先导表现为云内移动的火花或先导n在云中正、负电荷区之间活动在云中正、负电荷区之间活动n产生暗淡而连续的光产生暗淡而连续的光2022/4/3014(三) 雷声n发生原因：生原因：n闪电通道中的空气因放电而猛烈升温，气压猛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，这就是雷冲击波，其中一部分大振幅的声波，这就是雷声
11、。声。n雷声雷声总是伴随着是伴随着闪电而而发生生n但先看到但先看到闪电，后听到雷声，后听到雷声n因为光波比声波传播快因为光波比声波传播快n光每秒能走光每秒能走30公里，而声音只能走公里，而声音只能走340米。米。n一般一般25km外就听不到雷声了外就听不到雷声了2022/4/3015(三) 雷声n美国富美国富兰克林克林1752年的年的风筝筝实验n雷暴带电雷暴带电n雷的本质就是电雷的本质就是电n近代近代观测，云中，云中强烈起烈起电现象常出象常出现于霰或于霰或雹等雹等强烈降水烈降水过程程n起起电理理论n热电效应起电热电效应起电n感应起电感应起电2022/4/3016二、雷电的产生原因 (一) 热电
12、效应n这种起种起电理理论是基于冰的是基于冰的热电效效应n对冰条一端加热对冰条一端加热温度差温度差n水分子分解正负离子及差异（热的一端离子多）水分子分解正负离子及差异（热的一端离子多）n离子浓度不均，产生迁移离子浓度不均，产生迁移n正离子迁移率大，正离子迁移率大，负离子几乎不迁移离子几乎不迁移n温度低的一端温度低的一端+电荷，温度高的一端电荷，温度高的一端-电荷电荷n形成一个电位差形成一个电位差2022/4/3017(二) 雷暴云热电效应的起电机制（两种）1第第1种起种起电机制机制n含冰含冰块和霰粒的混合云和霰粒的混合云n水滴、冰晶与冰块相碰水滴、冰晶与冰块相碰n过冷水滴冷水滴释放潜放潜热，雹，
13、雹块升温升温n冰晶带正电，雹块带负电冰晶带正电，雹块带负电n雹雹块下降，冰晶上升下降，冰晶上升n雷暴云上部正电荷，下部负电荷雷暴云上部正电荷，下部负电荷n形成形成强的的电位差位差2022/4/3018(二) 雷暴云热电效应的起电机制（两种）2. 第第2种起种起电机制机制n假假设有有过冷却水滴与雹冷却水滴与雹块相相碰碰n表面结成的冰壳就向水滴内部表面结成的冰壳就向水滴内部增厚，冰壳内表面与水相接，增厚，冰壳内表面与水相接，温度为温度为0度，而冰壳外部低于度，而冰壳外部低于0度，冰壳内外形成温度梯度，度，冰壳内外形成温度梯度，冰壳的外表带正电冰壳的外表带正电n从冰壳外表飞出的小冰屑带正从冰壳外表飞
14、出的小冰屑带正电，而电，而冰块带负电冰块带负电n小冰屑上升，冰小冰屑上升，冰块下落下落n从而也形成了从而也形成了强的的电位差。位差。2022/4/3019 (三) 雷暴云的感应起电机制n云云质粒与降水粒与降水质粒受到粒受到极化极化，极化，极化的的结果使它果使它们下半部下半部带正正电，上半，上半部部带负电。n当云质粒与向下落的降水质粒下部相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粒上，若云质粒从降水质粒弹开来n则带负电的降水的降水质粒向下运粒向下运动，而，而带正正电荷的云荷的云质粒随上升气流向上粒随上升气流向上
15、运运动n这就会使就会使雷暴云中上部雷暴云中上部带正正电，而，而下部下部带负电，从而，从而产生雷暴云的生雷暴云的电位差。位差。2022/4/3020三、雷电的防护 (一) 避雷针技术n装置避雷装置避雷针是避免雷是避免雷击的有效方法。的有效方法。n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n当空中有当空中有带电的云的云时，避雷，避雷针的尖端因静的尖端因静电感感应就集中了异种就集中了异种电
16、荷，荷，发生尖端放生尖端放电，与云内的，与云内的电相中和，避免相中和，避免发生激烈的雷生激烈的雷电，这就是避就是避雷雷针能避雷的一方面。能避雷的一方面。n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，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。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。n由于避雷由于避雷针高高过周周围物体，它的尖端又集中了与云中物体，它的尖端又集中了与云中电异号的异号的电荷，荷，如果雷如果雷电是在云和地面物之是在云和地面物之间发生，放生，放电电流主要通流主要通过避雷避雷针流入大流入大地地n因此，不会打在房屋或附近人的身上，只会打在避雷针上了。因此，不会打在房屋或附近人的身上，只会打在避雷针上了。n由此可由此可见，避雷，避雷针的尖端放的尖端放电作用会减少地面物与云之作用会减少地面物与云之间打雷的可能打雷的可能性；到了不可避免性；到了不可避免时，它自己就，它自己就负担了雷的打担了雷的打击，房屋与人得到了安，房屋与人得到了安全。全。北京展览馆北京展览馆埃菲尔铁塔
