第七章、闪电(1)闪电分类

闪电现象—概况一、闪电分类二、雷声和天电三、负地闪放电过程成都信息工程学院佘会莲一、闪电分类根据闪电形状：枝状、片状、球状、蛛状等闪电发生位置：云闪地闪云内闪电云际闪电云空闪电正地闪负地闪云闪占总闪电的一半以上；主要发生在雷暴云内的主正、负电荷区之间；也有发生几率相对较低的云间闪电、云与空气放电云内闪电云际闪电按先导所转移电荷的极性和运动方向可分为四类：下行负地闪下行正地闪上行闪电（负）上行闪电（正）地闪类型枝状闪电片状闪电线状闪电株状闪电球状闪电：特指雷暴过程中所发生的一种运动着的发光球一般认为球状闪电就是一个等离子体球典型的球闪有桔子或小柚子那么大，其直径约为20-30cm；􀂾辐射功率小于200W可以呈现红色、桔黄色、亮白色、蓝色、甚至可以是绿色生命期约10s球状闪电球闪一般出现在雷暴发展的旺盛期大部分的球闪几乎与地闪同时出现球闪出现在地面以上几米的高度内以每秒几米的速度水平运动，也可悬浮在空中不动从云向地面降落的球闪，一般不会上升目前尚无理论能说明球闪所表现出的行为特征和它不上升的事蛛状闪电蛛状闪电：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（类似于蜘蛛的爬行）的壮观放电现象。􀂾这种闪电一般并不经常出现，但在我国南方较旺盛发展的雷暴云消散期偶尔可以观测到。“Spider”Lightning蛛状闪电是一种负先导，类似负地闪中的负先导，其水平发展速度约为2-4×105m/s。蛛状闪电是在地面电场强度和极性转换期（即EndOfStormOscillation,EOSO）发生的云闪和正地闪的一部分。蛛状闪电同时具有发生于通道分叉头部的脉冲性发光和由连续电流流动保持的通道连续发光。SpritespriteSprite是由某种类型的闪电在雷暴云上部和电离层之间的中层和高层大气中产生的一种奇特的光学效应这种现象可以在地面的高山上观测到。Sprite的电结构红色Sprite：集中在中层的红色发光结构，但是具有向上和向下的分量，高度在40-95km。蓝色jets：由活跃雷暴系统顶部向上发出的细圆锥状蓝色光柱􀂾通常Sprite的明亮区域（头部）集中在70-75km高度上,微弱的红发状发光将从这一区域延伸到90km左右的高度。在明亮的头部区域以下将呈现蓝色卷须状特征，并向下延伸到40-50km的高度区域。二、雷雷—定义为伴随闪电而产生的声辐射。雷可分为两部分：一是人耳可以听到的声能量，称为可闻雷可闻雷又可分为炸雷和闷雷。二是次声，频率低于人耳能够听到的雷声通常在几十赫兹以下。雷的描述(1)云地闪电通常产生最响的雷。(2)在超过十英里左右的距离外偶尔才能闻雷。(3)用看到闪电与听到第一次雷声之间的时间间隔可以估计闪击距离。(4)大气湍流能减小雷的可闻度。(5)紧接强烈雷鸣之后，常有倾盆大雨。(6)雷声的强度似乎一地不同于另一地。(7)当隆隆声持续时，雷的音调变深沉。雷的形成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。利用雷声对闪电通道的重构线状跟踪法（raytracing），该方法比较准确，它可以给出一次雷声事件中的多个声源点，从而可对闪电的放电通道进行重构。这种方法中，话筒之间距离相对较近，一般为几十米。雷测距（thunderranging），这种方法中三个话筒相距较远，一般在公里量级，测得的位置一般误差较大如果不在一条直线上的三个或三个以上的话筒同时记录到了一次雷声的主要特征，则可以利用到达每一个话筒的声光差来确定声源的位置。通常有两种不同的方法。天电天电（atmospherics或spherics）是由主要源为闪电的各自然电磁过程所产生的射频电磁场。但实际上，一些特殊人造过程，也不经意地产生类似现象。舒曼共振与全球闪电1952年舒曼(Schuman,1952)首次指出，地球和电离层可以构成一个谐振腔体，腔体中存在一个特殊的谐振频率，这一频率主要由地球的尺寸决定，并由全球的闪电放电激发。由于舒曼共振是由闪电触发的电离层与地面之间的全球电振荡，因此共振活动反映了全球的闪电活动。全球闪电活动是全球长期气候变化的指示器之一。因此利用舒曼共振现象对全球闪电的探测以及它在全球气候变化中的应用正受到越来越多的重视啸声回击所形成的甚低频信号（VLF）往往有一部分穿透电离层而进入磁层。然后，信号沿着地磁场的磁力线，又一次穿透电离层而返回地球。由于信号在磁层中传播时发生频散，因而原来的尖脉冲就以一种音频（VLF）电磁波返回地球，被称为“啸声”。负地闪放电过程负地闪放电过程定义为将云内的负电荷输送到地面的放电过程。一次始于云中的负地闪放电过程通常将几十库仑的负极性云电荷带到地面。按照国际惯例，一次完整的闪电过程定义为一次“闪电(flash或lightningflash)”，其持续时间为几百毫秒到1秒钟不等。一次闪电包括一次或几次大电流脉冲过程，被称为“闪击(stroke)”,而其中最强的快变化部分叫“回击（returnstroke）”。闪击之间的时间间隔一般为几十毫秒，对地闪电在人眼中所呈现的闪烁，便是由几次闪击所造成的。一次完整的地闪发展过程示意图预击穿过程P梯级先导L连接过程首次回击R连续电流过程C直窜（箭式）先导继后回击回击后负地闪放电过程的毫秒级参量特征地闪电场变化B变化：预击穿I变化：云内放电L变化：先导R变化：回击C变化：连续电流J变化：回击后M变化：C过程中K变化：云内流光F变化：放电后期