雷电学原理复习

第一章前言1．雷电的几种危害。答：直接危害、间接危害第二章带电粒子1．引起大气电离的电离源有哪几种？答：1大气中放射性物质发生的放射线；2地球之外的宇宙射线；3地壳中放射性物质发出的放射线；4大气中的闪电、火山爆发、森林大火、尘暴、雪暴等，也使大气电离。2．什么是电离率？电离率与什么有关？各种电离源对大气的电离特点？答：定义：在单位体积和单位时间内大气分子被电离源电离为正负离子对的数目。大气的电离率取决于电离源的强度和大气的密度。特点：1地壳中放射性物质发出的各种射线强度在穿过大气时随高度迅速减小，对大气的电离率也随之迅速减小。2α射线是大气中放射物质发射的射线的主要电离源。3宇宙射线的电离率随高度迅速增大，但是由于大气密度随高度减小，所以宇宙射线的电离率并非随高度单调上升，大约在10~15km高度处大气电离率达极大值，接着随高的增加而下降。3．大气中的离子主要分为几种？各指什么？答：主要分为两类：1带正负号电荷的小离子，或称轻离子，其半径约10-8~10-7cm，它常由几个电离分子与中性分子聚合而成。2大离子，或称重离子，它是由各种大小不同的带电气溶胶粒子所组成，根据粒子尺度，重离子有分为Langevin离子、大离子或超大离子4．大气的电离过程？答：在电离源的作用下，当大气分子吸收的外来能量超过电离能时，分子的外层电子即可逸出而形成游离电子。形成带正电的分子和游离电子。这一电离过程可表示为：M+U一M++e（正离子的形成）大气分子所逸出的游离电子，又迅速与其周围中性大气分子相结合，形成带负电的大气分子。大气分子俘获电子的这一过程可表示为：M+e＝M－（负离子的形成）5．表征大气离子的物理量有哪些，各个物理量的含义？答：1大气离子的电荷：大气中的离子一般只带一个电荷，其大小为1.602×10-19C，只有较大的离子才带一个以上电荷。2大气离子的半径：大气离子半径指其有效半径，其变化范围从10-8～10-5cm3大气离子迁移率：表示大气离子在大气中的运动特征6．大气重离子和轻离子的日变化？答：陆地上大气离子浓度也有明显的日变化大气轻离子浓度通常在后半夜出现极大值，中午前后出现极小值，日落后出现第二个极大值。大气重离子的日变化规律则相反，通常中午前后出现极大值，而在日出前和日落后出现极小值。在海上，大气气溶胶浓度日变化很小，所以大气离子的日变化也小。第三章大气电场1．晴天大气电场如何形成，它的大小和方向以及随高度的变化特征。答：大气相对于大地带正电荷，而大地带负电荷。大气和大地携带异性电荷是晴天大气电场的成因。大小：约为130V/m方向：垂直向下场强（或电位梯度）随高度减小2．影响晴天电场的机制有哪几种？答：一是：全球性普遍变化机制，其变化规律与世界时有关，主要与全球雷暴活动的日变化有关.二是：地方性局地变化机制，其变化规律与地方时有关，主要与局地大气状况的日变化所导致大气电导率和大气体电荷等大气电学量的日变化有关.3．晴天大气电场和气象条件的关系？答：气象条件与晴天大气电场之间的关系，往往是通过其他大气电学量，如大气电导率和大气体电荷密度对晴天大气电场产生间接影响的结果。由于晴天大气电场与晴天大气电导率之间关系较为直接，并呈负相关对晴天大气电导率产生影响的气象条件，都将间接影响晴天大气电场。如大气中气溶胶含量与晴天大气电场之间的关系观测表明，晴天大气电场与气溶胶含量呈正相关第四章大气电流1．什么是晴天大气电导率，由哪几部分组成？电导率的大小决定于哪些参量？答：定义：单位电场作用下，因大气离子产生运动而形成的大气电流密度值。大气电导率包括大气正极性电导率和大气负极性电导率。大气电导率取决于大气离子电荷、大气离子浓度和大气离子迁移率。2．影响大气电导率的主要有哪些因素？答：大气电导率主要取决于大气轻离子大气气溶胶对大气电导率的影响大气电导率与太阳活动有关宇宙射线对大气电导率的影响3．晴天大气电导率随高度的变化特征？答：其总效果是晴天大气电导率随高度单凋递增。晴天大气正、负极性电导率随高度的变化起伏较大，但其平均值仍随高度单调递增。晴天大气总电导率随高度分布与晴天大气正重离子浓度随高度分布的情况相反。4．大气体电荷密度的定义？答：定量描述大气体电荷的状况5．晴天大气电流主要包括哪几部分？各是什么？答：晴天大气传导电流：是晴天大气离子在晴天大气电场作用下产生运动而形成的大气电流。晴天大气对流电流：是晴天大气体电荷随气流移动而形成的大气电流。晴天大气扩散电流：则是晴天大气体电荷因湍流扩散输送而形成的大气电流。6．晴天大气电流密度的时空分布特征？答：晴天大气电流密度不仅随地点而异，还具有明显的日变化、年变化和脉动起伏变化。在近地面层中，由于受大气湍流的影响，晴天大气传导电流密度随高度分布较为复杂。QQ在混合层以上的大气中，晴天大气电流密度近似为晴天大气传导电流密度，而且变化较小。第五章雷暴云1．形成雷暴云需要什么条件，一个雷暴云单体分为哪几个阶段，各阶段有什么特征？答：条件：冷而湿的空气、冷暖气团相结合、下垫面受热不均匀积云期：上升气流成熟期：上升气流增强，出现下降气流（伴随降水）消散期：上升气流基本没有了，主要有下降气流（仍有降水、闪电）2．雷暴云按照水平尺度一般可分为哪几种？答：小尺度、中尺度、大尺度、行星尺度第六章雷暴云电荷结构及起电机制1．雷暴云的三极性结构是怎样的？答：温度低于-200C的高度上有一个直径为2km，电荷量为24C的正电荷区；在-70C层附近有一个电荷量约为-20C的负电荷区；在负电荷区下部00C附近还有一电荷量为4C的正电荷区。2．常见的电荷结构有哪些？答：偶极性、三极性、倾斜式、反极性、多极性3．什么叫做感应起电机制？答：又称极化起电机制，晴天大气中因为带有约350Kv高压的电离层存在，所以有一个方向垂直向下的电场，水成物粒子被极化，上表面带负电荷，下表面带正电荷。大粒子下落过程中，与小粒子重力碰撞并分离，使小粒子带上净正电荷，大粒子带上净负电荷，小粒子被强上升气流带到雷暴云上部，大粒子由于重力沉降到雷暴云的中下部，形成了上正下负的双极性电荷结构，对初始电场又有正反馈作用，使感应起电不断增强。4．*什么叫做非感应起电机制？转移电荷量和电荷极性受哪些因素的影响？答：与晴天大气电场无关，与温度、有效液态水含量有关•两片温度不同的冰晶被带到一起，再分开，温度较高的冰晶获得负电荷而较冷的冰晶获得相等数量的正电荷。这是因为较活跃并带有正电荷的H+氢离子向温度梯度降低的方向扩散，而较稳定被带有负电荷的OH-离子较多地存在于温度较高的部分。•当冰雹（霰）与云滴（冰晶或雪）相碰时，由于碰撞界面的温差产生的表面接触电位差使大小粒子间发生10-14—10-15C的电荷转移，极性取决于环境温度、液态含水量。当温度高于反转温度Tr时，大粒子冰雹（霰）或雨滴带正电荷，小粒子冰晶、雪片或云滴带负电荷，当温度低于Tr时，大粒子带负电荷，小粒子带正电荷，当液水含量很高时（4g/m3)或很低时（0.1g/m3)时，上述极性相反。5．什么叫做对流起电机制？答：不依赖于降水的电荷分离机制，假定云中电荷不是来自于水成物的起电和重力沉降，而是晴天空间电荷，地面的电晕和来自云顶的宇宙射线提供的，正、负电荷在垂直气流的作用下被分离，形成了正的偶极性电荷结构。第七章雷电的基本物理过程1．按照闪电的发生位置和传输的电荷极性，闪电分为那些类型？答：按发生位置：a云闪：云内闪电、云际闪电、云空闪电b地闪：正地闪、负地闪按中和电荷极性不同：正地闪、负地闪按传输方向不同：上行雷、下行雷2．*一次负地闪过程分为哪几个阶段，每个阶段的特征及持续时间？（选择、填空）答：1预击穿过程：预击穿过程是地闪通道伸展出云底之前发生于云内的弱电离过程。电场变化一般可持续几毫秒到几百毫秒，典型值为几十毫秒。2梯级先导：表现为一条暗淡的光柱像梯级一样逐级伸向地面，这称之为梯级先导。3连接过程：下行的梯级先导传播至地面几十米的范围内时，先导头部电荷产生的局地电场将由于地面上的电导物体存在而增强，而地面或地面的突出物体上也将产生向上的迎面先导，当二者相连接时，将导致强的放电过程即回击的产生。先导和回击之间的过程被称为连接过程。4首次回击：5击间过程：6直窜先导：表现为一根发亮的细线，或者象几十米长的箭一样向地面传播，通常没有分叉。7继后回击：3．一次云闪过程的主要特征？梯级先导单个梯级的长度？梯级先导通道直径？梯级先导的平均电流？梯级先导的总电荷？答：无论正极性还是反极性云内放电过程，都起始于云中负电荷区域，并向正电荷区发展，发展速度为105m/s量级。放电通道到达正电荷区后，会在正负电荷区发展，有些闪电会出现双层发展结构，也有的闪电不会出现双层结构。梯级先导单个梯级的长度平均为50m梯级先导通道直径较大，变化范围为1~10m左右。梯级先导的平均电流为50－63A梯级先导的总电荷为10－20C，单位梯级长度的平均电荷为10-3C/m4．先导始发的两种理论：引路流光理论和电晕、电弧转化理论的概念。答：Schonland的引路流光理论：在先导通道中心存在一个与电弧相似的细导电核，导电核被一个半径为几米的电晕壳所包围。先导电流主要在核内流动，而先导电荷则由电晕壳所携带。Bruce电晕－电弧转化理论：强调了电晕电流的重要性，认为梯级的产生是由于发生了电晕到电弧的突然转化。由于先导尖部的高电场，使通道前面的那些区域处于毛刷状或辉光放电状态，由于通道核心和周围空间之间存在很高电位差，在核心周围将产生径向电晕放电，单位长度上的电晕电流随着辉光放电长度的增加而增加，当达到临界电流IT＝100A/m，就转化为具有弧光特性的放电通道，此放电通道的延伸，就形成了明亮梯级5．先导的静电学模式中的源电荷模式。要求掌握相应的公式推导。证明：6．雷是怎么发生的？答：雷声起源于闪电通道的初始迅速膨胀引发的高压冲击波，它在远距离上退化成为声波。对回击通道的光谱分析认为，在不到10μs的时间内回击通道温度将达到30000K。由于没有足够的时间使得通道的粒子浓度发生显著改变，因此通道的压力将由于温度的升高而迅速增加。在前5μs内平均的通道压力可以达到10个巴。这样一个通道过压将会导致强烈的冲击波使得通道迅速膨胀。7．回击间的过程：一、连续电流答：地闪的连续电流过程是雷暴云中局地荷电中心在闪击之后沿闪电通道对地的持续放电过程，它可引起慢而大幅度的地面电场变化，且云下的闪电通道持续发光。二、J过程答：J过程是在回击之间发生在云内的过程。它以相对稳定的电场变化为特征，持续时间为几十毫秒。J过程不伴随有云地之间通道亮度的突然增加。三、M分量答：M分量指在回击过程之后通道微弱发光阶段通道亮度的突然增加，并伴随有电场的快速变化。四、K变化答：K变化指发生在地闪回击之间或最后一个回击之后以及云闪后期相对小的快电场变化。第八章人工引发雷电1．火箭人工引雷中传统的引发雷电技术和空中引发雷电技术方法、原理，引发雷电的过程。答：传统：原理：尖端放电；方法：火箭-导线技术空中：原理：尖端放电；方法：尼龙线-火箭-导线技术过程：2．在距闪电一定距离的某一点测到的电场包括哪几部分，分别是如何定义、表达的？答：静电场：Es(t)是由于闪电通道内电荷引起的静电场分量，感应场：Ei(t)为由于闪电电流变化而产生的感应场的分量，辐射场：Er(t)是闪电发射的电磁辐射分量。第九章全球闪电特征和大气电特征1．请解释一下什么是全球电路？答：地球携带有－5.6×105库仑左右的负电荷，大气带有等量的正电荷并分布在从地面到约50km高度的范围内，从而形成垂直向下的晴天大气电场。土壤与大气电离层的电导率都比低层大气电导率大10个数量级左右，所以可将大气——地球系统看作是以地球表面和电离层为两极,以大气对流层、平流层为电介质的球形电容器模型。2．全球雷暴活动的地理分布呈现哪三个特征？答：1平均年雷暴活动一般随纬度增加而递减。2陆地上的平均年雷暴日普遍大于同纬度的海洋地区。3011/4sEtMtRcR20/114idMtRcE