雷电基础理论

雷电基础知识胡先锋山东省雷电防护技术中心雷电现象多接地闪电中有62%（5/8）具有多次回击，但发生多次回击的接地点均只有一个，其余的接地点均只发生一次回击。多接地点的产生均是由先导分叉所致，但一种是由接近地面的先导通道分叉产生（类型I），一种是由接近云底或云中发展的不同先导通道产生（类型II）。雷暴是雷电的主要发生源，当云中局部电场超过400kV/m时，就可能发生闪电放电。长期以来，研究焦点之一是起电机制，即通过什么样的过程产生了强烈的电荷分离。迄今，有许多起电机制被引入作为说明雷暴如何起电，并可达足够的强度以产生闪电。但是，没有一种起电机制能够给出完全令人满意的答案。事实上，实际的起电是十分复杂的。目前，人类还没有能力系统地实地测量云中情况，室内实验还没有达到真实无误并全面地模拟云中实况。在这种情况下，虽然有一些工作在继续，在实质上却因为探测及模拟手段的缺乏，80年代以来并无大的进展。关于起电机制的真正突破还有待于测量方法的改善。雷暴电荷结构概念图第一节闪电通常情况下，一半以上的闪电放电过程发生在雷暴云内的主正、负电荷区之间，称作云内放电过程，云内闪电与发生几率相对较低的云间闪电和云－空气放电一起被称作云闪。另一类闪电则是发生于云体与地面之间的对地放电，称为地闪。虽然最频繁发生的闪电是云闪，但是由于地闪对地面物体所造成的严重威胁，以及它的放电通道暴露于云体之外易于光学观测，因此目前对地闪放电过程已经有了相对较系统的研究。按照闪电发生的空间位置可分为云内闪电、云际闪电、云空闪电和云地闪电；对闪电时发出的夺目亮光快速拍照,闪电的形状可分为线状、带状、片状、连珠状和球状闪电。带状闪电线状闪电云空闪电地闪和雷电分支晴天霹雳地闪的分类Berger(1978)按照地闪先导所转移电荷的极性和运动方向将地闪分为四种形式。第一种形式常被称为下行负地闪，占全部地闪的90%以上，它由向下移动的负极性先导激发，因此向地面输送负电荷；第二种闪电也由下行先导激发，但是先导携带正电荷，因此向地面输送正电荷，被称为下行正地闪，这种类型的闪电少于全部闪电的10%。第三和第四种类型的闪电由从地面向上移动的先导激发，被称为上行闪电（上行雷）。上行闪电一般比较罕见，通常发生在高山顶上或人工的高建筑物上。第三种闪电先导携带正电荷，因此对应于云中的负电荷向地面的输送，而第四种闪电则对应于负极性先导，因此将云中的正电荷向地面输送。通常，将向地面输送负电荷的闪电（第一、第三种类型）称为负闪，向地面输送正电荷的闪电（第二、四种类型）称为正闪。云对地闪电(地闪)的主要物理过程:预击穿过程--梯级先导过程--连接过程--首次回击--击间过程--直窜先导--继后回击--连续电流等--时间尺度:微秒-亚微秒-毫微秒地闪特征地闪是怎样发生的电荷：云中大电场在地面感应出符号相反的电荷击穿/梯级先导的发展：梯级先导是一系列小电流脉冲(约50m长)，随着它的向下传输电离一个空气柱。连接：向下发展的梯级先导与从地面产生的向上的连接先导连接后，形成一个完整的电离通道。回击：在由梯级先导形成的电离通道中流过的大电流脉冲，并中和了更多的云中电荷。梯级先导和回击----人眼可以看到的直窜先导到达地面后第二个回击发生一个直窜先导快速地跟随着回击并重新电离传到通道继后回击每个地闪平均有4个回击理想的三极性雷暴电荷结构++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++--------------------------------++++++++++++++----++----------------+---20°C-10°C-++-按照地闪中和电荷的极性和运动方向将地闪分为四种形式，第一种形式常被称为下行负地闪，占全部地闪的90%以上，它由向下移动的负极性先导激发，因此向地面输送负电荷；第二种闪电也由下行先导激发，但是先导携带正电荷，因此向地面输送正电荷，被称为下行正地闪，这种类型的闪电少于全部闪电的10%。第三和第四种类型的闪电由从地面向上移动的先导激发，被称为上行闪电（上行雷）。上行闪电一般比较罕见，通常发生在高山顶上或人工的高建筑物上。第三种闪电先导携带正电荷，因此对应于云中的负电荷向地面的输送，而第四种闪电则对应于负极性先导，因此将云中的正电荷向地面输送。回击电流1.负地闪首次回击2.负地闪继后回击3.正地闪一次自然闪电高速摄像记录正地闪过程虽然通常情况下的对地放电过程都是将云内负电荷输送到地面的负极性放电，但是也有一些放电将云内的正电荷输送到地面，被称为正地闪过程。由于正闪的峰值电流和所中和的电荷量较通常的负地闪大得多，因此对正地闪的研究对于雷电防护来讲就有了更实际的意义。正地闪的发生比例和一般特征Beasley(1985)曾经对不同作者在不同的地区利用各种方法对正地闪的发生比例进行了总结和比较，发现在不同的地区得到的正地闪比例有较大差别，从0-100%不等。比例最高的是日本的冬季雷暴，最高可达100%，通常在40-90%之间。近年来随着雷电定位系统的普及和大量资料的积累，对地闪的分布情况又有了新的研究，美国正地闪的比例均小于10%。OrvilleandHuffines(1999)利用美国国家雷电探测网络（NLDN）记录到的1989-1998年的大量地闪资料，得到正地闪的比例从3-9%不等。在中国内陆高原的正地闪比例（郄秀书等，2000）介于美国夏季雷暴和日本冬季雷暴的结果之间。一般来讲，虽然在夏季雷暴中正地闪较为罕见，但是其发生的比例会随着纬度的增加和地面海拔高度的增加而增加。LewisandFoust(1945)曾经指出，随着海拔高度的增加，正地闪发生的比例也增加，在海平面上比例约为3%，在海拔高度为2-4km的地方，则为30%。在以甘肃省为代表的中国内陆高原地区(海拔高度约为2km)，正地闪的发生比例平均为15%-20%。最近的研究表明正闪的比例还随雷暴过程的不同而不同。通过对正地闪的光学和电学观测证实，正闪通常只有一次回击和紧接其后的连续电流过程组成。单次闪击正地闪占80%以上，偶尔也会发生多次回击。正地闪回击由正极性的先导引导，正先导一般不表现出象负先导那样的明显梯级特征，其发光近乎连续但强度被调制。一般认为大部分的正地闪回击之后都跟随有连续电流过程。正地闪的电流和电荷转移对地闪放电电流的获得通常有两种方法，一是当闪电击中高塔或建筑物上安装的电流测量设备时对电流的直接测量，二是在一定的模式假定下利用闪电回击在地面产生的电场变化反演得到。Berger(1975)曾经给出了正、负地闪电流特征的比较，他用的是直接测量。一般来说，正地闪电流的上升时间和恢复时间都较负地闪要长。由表可以看出正地闪回击上升沿时间的平均值为22μs，是负地闪的4倍；对于单次闪击地闪正闪的持续时间是负闪的7倍；平均的正闪脉冲电荷是单次闪击负闪的3倍；一次单闪击正地闪转移的总电荷量比单闪击负地闪大一个量级。平均的电流虽然相差不大，分别为35kA和30kA，但是正地闪产生大电流的几率较负地闪要大的多，正地闪回击电流超过250kA的几率为5%，而负地闪回击电流大于80kA的就已经达到了5%。正地闪转移的电荷量无论是脉冲变化部分还是整个放电过程都较负地闪大的多。云闪云闪定义为所有没有到达地面的闪电放电。目前还没有有效的资料来区分云内（intracloud）闪电、云间(intercloud)闪电和云-空气(cloud-air)放电三种云闪过程。事实上根据地面电场记录看，三种放电过程十分类似，而且云闪过程也包括地闪过程中发生于云内的部分。云闪是最经常发生的一种闪电放电事件，一般认为云闪占全部闪电数的2/3以上。中层大气放电早在20世纪20年代威尔逊（Wilson）就曾预言对流层雷暴电场可能导致高层稀薄大气电离击穿、产生光辐射。20世纪80年代一些美国飞行员也曾陆续报告在高空看到瞬时的闪光。1989年来自美国明尼苏达大学的一个研究组在试验低光度摄像机时意外地在中层大气高度拍摄到了大气放电产生的光学图像，首次在科学意义上证实了中高层大气中存在放电现象。高空大气放电产生的瞬间光学事件（TransientLuminousEvents）频繁出现在世界许多地区的雷暴云上空，其垂直扩展范围从电离层底层（大约100km高度）向下一直延伸到雷暴云顶高度（大约20km）。至今这些放电的本质仍然是困扰学术界的未解之谜，简称这类放电为中层大气放电。Redsprites(幽闪),bluejets（蓝色激闪）andelves（晕闪）蛛状闪电蛛状闪电特指在雷暴云的消散阶段或层状降雨阶段观测到的发生于云底附近具有大范围水平发展、多分叉放电通道的壮观放电现象。之所以被称为“蛛状”闪电是因为这种放电在云下面以较一般闪电发展明显慢的速度和多级分叉的形式前进，每一通道的发展特征类似于蜘蛛的爬行。肉眼看到的蛛状闪电景象十分壮观，根据观测经验，这种闪电一般并不经常出现。目前，尚没系统观测及统计结果。在我国南方较旺盛发展的雷暴云消散期，曾利用普通摄象机观测到这种蛛状放电现象。人工引雷发展过程概述自从Newman于1960年最初实现人工引雷，到现在人工引雷已有近40年的历史。在过去40年里，法国、日本、美国及我国等都开展了一系列人工引雷实验（如Liu等，1994；Fieux等，1978；Horii，1982；Hubert等，1984；Kito等，1985；Uman，1987；Uman等，1997），并取得了大量的观测结果。根据触发闪电技术之不同，人工触发闪电（人工引雷）可分为经典型及高度型；根据闪电极性之不同，它又分为正极性及负极性。火箭的上升速度一般为每秒一二百米，火箭发射一二秒后，它就可上升到300m左右的高度。此时，从导线顶端将出现以105m/s左右的速度向上发展的上行先导。该上行先导的电流很快熔断并汽化掉用于引雷的导线。上行先导继续上升直到进入云中负电荷区并引发一个所谓初始连续电流的过程。这个连续电流一般持续几百毫秒。它终止后几十毫秒的时间内通道中几乎不存在任何电流。然后将有一直窜先导以107m/s左右的速度沿着刚刚电离过的通道向地面发展。直窜先导发展到地面后，就会引起以108m/s左右的速度向上发展的回击。人工引雷的电流特征雷电流是雷电及其防护研究中最重要参数之一，因而几乎所有人工引雷试验中，雷电流的测量必不可少。雷电流的测量方法主要有两种，•一种是利用无感抗电阻也叫同轴分流器作探头；•另一种是用Rogowski线圈作探头。为使雷电流记录装置与这些探头绝缘从而不受雷电高电压的影响，一般在雷电流记录装置与探头之间连接上光纤系统作传输信号用。近20多年来，有关人工引雷电流的测量电流测量装置Rogowski线圈1mΩ的精密电阻线圈E/O电阻E/O在其初始阶段（InitialStage，IS）存在一持续时间为400ms、强度为100A左右的连续电流。为了区分这一电流与回击之间的连续电流，有人称这一连续电流为初始连续电流（ImitialContinuosCurrent，ICC）。其实严格来讲，人工引雷初始阶段电流实际上由上行先导的电流及初始连续电流两部分构成。从电流波形上看不到它们之间差别，即找不到它们之间的转换点。根据云中负电荷的高度及上行正先导的速度可以推测初始阶段电流的最初40ms左右时间对应于上行先导，其余部分对应于ICC。初始阶段电流结束之后，有几十毫秒的电流间歇期，之后是三个回击电流脉冲。该图中的回击电流处于饱和状态（大于2kA）。有些人工引雷的初始阶段电流之后没有回击。典型的在近距离处摄到的负极性人工引雷的照片（见彩图插页），可以看到在该照片中至少有9条发亮的通道，这是由于闪电通道受风的影响发生平行移动后所造成的。照片中最左边的一片发光对应于初始连续电流，右边一条条弯曲的通道对应于不同的回击。2006年8月18日16时37分24秒人工引雷部分过程20080812170921从化地面触发负极性闪电人工引雷的应用自然闪电的发生是随机的，除在一些非常高的建筑物外，自然雷电击中到某一固定地点的机率非常非常低，而且其