雷云的產(chǎn)生和雷電放電過程

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1、雷云的產(chǎn)生和雷電放電過程1.1.1雷電發(fā)生機(jī)理雷電是由雷云放電引起的，關(guān)于雷云的聚集和帶電至今還沒有令人滿意的解釋，目前比較普遍的看法是：熱氣流上升時(shí)冷凝產(chǎn)生冰晶，氣流中的冰晶碰撞后分裂導(dǎo)致較輕的部分帶負(fù)電荷并被風(fēng)吹走形成大塊的雷云；較重的部分帶正電荷并可能凝聚成水滴下降，它們?cè)谥亓ψ饔孟孪侣涞乃俣却?，并在下落過程中與其他水份粒子發(fā)生碰撞，結(jié)果一部分被另一水生成物捕獲，增大水成物的體積，另一部分云粒子被反彈回去，這些反彈回去的云粒子通常帶正電荷，懸浮在空中形成一些局部帶正電的云區(qū)，而水生成物帶上負(fù)電荷。由于水成物下降的速度快，而云粒子的下降速度慢，因而正、負(fù)電荷的微粒逐慚分離，

2、最后形成帶正電的云粒在云的上部，而帶負(fù)電的水成物在云的下部。整塊雷云里邊可以有若干個(gè)電荷中心。負(fù)電荷中心，離地大約500~10000m。它在地面上感應(yīng)出大量的正電荷。隨著雷云的發(fā)展和運(yùn)動(dòng)，一旦空間電場(chǎng)強(qiáng)度超過大氣游離放電的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度（大氣中約為30kV/cm，有水滴存在時(shí)約為10kV/cm）時(shí)，就會(huì)發(fā)生云間或?qū)Υ蟮氐幕鸹ǚ烹姟＠纂姺烹姲ɡ自茖?duì)大地，雷云對(duì)雷云和雷云內(nèi)部的放電現(xiàn)象。大多數(shù)雷云放電都是在雷點(diǎn)與雷云之間進(jìn)行的，只有少數(shù)是對(duì)地進(jìn)行的。在防雷工程中，主要關(guān)心的是雷云對(duì)大地的放電，如圖1-1所示。圖1-1云對(duì)地放電（用彩色）雷云對(duì)大地放電通常分為先導(dǎo)放電、主放電和輝光放

3、電三個(gè)階段。云一地之間的線狀雷電在開始時(shí)往往從雷云邊緣向地面發(fā)展，以逐級(jí)推進(jìn)方式向下發(fā)展。每級(jí)長(zhǎng)度約10~200m，每級(jí)的伸展速度約107m/s，各級(jí)之間有10~100μs的停歇，所以平均發(fā)展速度只有（1~8）×105m/s，這種放電稱為先導(dǎo)放電，如圖1-3所示。當(dāng)先導(dǎo)接近地面時(shí)，地面上一些高聳的物體（如塔尖或山頂）因周圍電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到了能使空氣電離的程度，會(huì)發(fā)出向上的迎面先導(dǎo)。當(dāng)它與下行先導(dǎo)相遇時(shí)，就出現(xiàn)了強(qiáng)烈的電荷中和過程，出現(xiàn)極大的電流（數(shù)十到數(shù)百千安），伴隨著雷鳴和閃光，這就是雷電的主放電階段。主放電的過程極短，只有50~100μs，它是沿著負(fù)的下行先導(dǎo)通道，由下而上逆向

4、發(fā)展，故又稱“回?fù)簟保渌俣雀哌_(dá)2×107~1.5×108m/s。以上是負(fù)電荷雷云對(duì)地放電的基本過程，可稱為下行負(fù)雷閃；對(duì)應(yīng)于正電荷雷云對(duì)地放電的下行正雷閃所占的比例很小，其發(fā)展過程亦基本相似。主放電完成后，云中剩余的電荷沿著原來的主放電通道繼續(xù)流入大地，看到的是一片模糊的發(fā)光，這就是輝光放電。從旋轉(zhuǎn)相機(jī)拍下的光學(xué)照片顯示，大多數(shù)云對(duì)地雷擊是重復(fù)的，即在第一次雷擊形成的放電通道中，會(huì)有多次放電尾隨，放電之間的間隔大約為0.5~500ms。主要原因是：在雷云帶電的過程中，在云中可形成若干個(gè)密度較高的電荷中心，第一次先導(dǎo)一主放電沖擊泄放的主要是第一個(gè)電荷中心的電荷。在第一次沖擊完成

5、之后，主放電通道暫時(shí)還保持高于周圍大氣的電導(dǎo)率，別的電荷中心將沿已有的主放電通道對(duì)地放電，從而形成多重雷擊。第二次及以后的放電，先導(dǎo)都是自上而下連續(xù)發(fā)展的，沒有停頓現(xiàn)象。放電的數(shù)目平均為2~3次，最多觀測(cè)到42次。通常第一次沖擊放電的電流最大，以后的電流幅值都比較小。圖1-2所示為用旋轉(zhuǎn)相機(jī)和高壓示波器拍攝和記錄的負(fù)雷云對(duì)地放電的典型過程和電流波形。圖1-2雷電放電的發(fā)展過程和雷電流的波形若地面上存在特別高的導(dǎo)電性能良好的接地物體時(shí)，也可能首先從該物體頂端出發(fā)，發(fā)展向上的先導(dǎo)，稱上行雷。但上行雷先導(dǎo)到達(dá)雷云時(shí)，一般不會(huì)發(fā)生主放電進(jìn)程，這是因?yàn)槔自频膶?dǎo)電性能比大地差得多，難以在極

6、短的時(shí)間內(nèi)提供為中和先導(dǎo)通道中電荷所需要的主放電電流，而只能向雷云深處發(fā)展多分支的云中先導(dǎo)。通過寬廣區(qū)域的電暈流洼，從分散的水性質(zhì)點(diǎn)上卸下電荷，匯集起來，以中和上行先導(dǎo)中的部分電荷。這樣電流放電過程顯然只能是較緩和的，而不可能有大沖擊電流的特性。其放電電流一般不足千安，而延續(xù)時(shí)間則較長(zhǎng)，可能長(zhǎng)達(dá)10-1s。此外，上行先導(dǎo)從一開始就出現(xiàn)分支的概率較大。1.1.2雷擊時(shí)的等值電路雷擊地面發(fā)生主放電的開始，可以用圖1-3中開關(guān)S的閉合來表示。圖中Z是被擊物與大地（零電位）之間的阻抗，σ是先導(dǎo)放電通道中電荷的線密度，S閉合之前相當(dāng)于先導(dǎo)放電階段。S突然閉合，相當(dāng)于主放電開始，如圖1-3

7、（b）所示。發(fā)生主放電時(shí)，將有大量的正、負(fù)電荷沿先導(dǎo)通道逆向運(yùn)動(dòng)，并中和雷云中的負(fù)電荷。由于電荷的運(yùn)動(dòng)形成電流，因此雷擊點(diǎn)A的電位也突然發(fā)生變化（u=iZ）。雷電流的大小與先導(dǎo)通道的電荷密度以及主放電的發(fā)展速度有關(guān)（i=σv）。在防雷研究中，最關(guān)心的是雷擊點(diǎn)A的電位升高，而可以不考慮主放電速度、先導(dǎo)電荷密度及具體的雷擊物理過程，因此可以從點(diǎn)的電位出發(fā)來把雷電放電過程簡(jiǎn)化為一個(gè)數(shù)學(xué)模型，如圖1-3（c）所示；進(jìn)而得到其彼得遜等值電路，如圖1-3中（d）、（e）所示。圖中，Z0表示雷電通道的波阻