[转帖]雷电的形成机理

通天雷神

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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。

sundy

倒……………这么......科普啊？