雷电的定义

1、雷电的定义：

雷电也称为闪电，它是发生于大气中的一种瞬态(1s以内)的、大电流（峰值电流平均高达几十kA）、高电压（负地闪头部相对于地面的电位超过十几mV）、高功率（其峰值功率可达1亿kW）、长距离（几十km）的放电现象。闪电虽然有强大的功率，可以造成巨大的破坏力，但能量很小，利用价值微不足道。

闪电放电一般产生于积雨云。

2、全球闪电分布特征：

全球在同一时刻大约会存在2000个雷暴，这些雷暴平均每秒钟约产生44±5个闪电，其中大部分闪电发生在陆地上，每年每平方公里陆地上会发生31~49个闪电，而广大海洋区域的闪电发生率则比较低，每年每平方公里约5个闪电，陆地和海洋的平均闪电密度之比近似为10：1。

全球闪电活动主要集中分布在赤道地区，其中闪电活动最频繁的三个地区均位于赤道附近，即非洲大陆、南美大陆和海洋性大陆（即印度尼西亚地区），而在赤道附近的卢旺达地区，闪电密度最大可达每年每平方公里80个闪电，是全球最频繁的地区。

赤道地区的闪电活动基本没有明显的季节变化，但以春秋季为多；

中纬度地区闪电活动都呈现出明显的季节变化。

北半球的闪电活动在夏季活跃，并在8月份达到最大值。

而在南半球，闪电活动峰值则发生在10月份。

3、我国闪电时空分布特征：

我国的闪电活动在空间上可以大体分成与太平洋海岸平行的四条带状区域：近海区域；中部区域；西部区域；西部边境区域。

其中，近海地区是我国闪电活动最频繁的地区，西部地区是我国闪电活动最弱的地区。在我国闪电活动最频繁的地区是：广州附近、广东茂名附近及海南岛中部地区，这些地方的闪电密度均超过每年每平方公里20 个闪电。

我国的闪电活动在8月份达到最强，11月份最弱。

主要集中在夏季（约占全年总闪电活动的68％），春季次之（约占全年总闪电活动的24％），然后是秋季，而冬季则最弱，而且在各个季节明显呈现出随着纬度的减小，闪电密度逐渐增大的趋势。

闪电活动出现明显季节变化主要是因为我国处在著名的东亚季风区以及太阳辐射随纬度变化的缘故。

4、雷电类型：

（1）地闪（云对地的放电）分为正地闪和负地闪。

（2）云闪（所有没到地的放电）包括云间放电、云内放电、云和空气的放电。

（3）球状闪电（雷暴旺盛期运动着的发光球,直径几米甚至几十米的）。

(4)珠状闪电（在雷暴云消散阶段或层状降雨阶段发生于云底附近具有大范围水平发展、多分叉放电通道的放电现象）。

5、地闪特征及其各主要物理过程

地闪分为四种形式：

（1）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；

（2）下行正地闪，少于全部闪电的10%，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。

（3）上行负地闪，一般比较罕见，由从地面向上移动的携带正电荷先导激发，对应于云中的负电荷向地面的输送。

（4）上行正地闪，一般比较罕见，由从地面向上移动的携带负电荷先导激发，对应于云中的正电荷向地面的输送。

地闪的特征：（1）发生的频率少于云闪（2）主要发生于云体与地面之间的对地放电

（3）地闪对地面物体可造成严重威胁（4）它的放电通道暴露于云体之外易于光学观测

（5）目前对地闪放电过程已经有了相对系统的研究

地闪的主要物理过程：（1）云中的预击穿过程激发从云到地的一系列间歇性突跳式进展的梯级先导（2）梯级先导触发大电流首次回击过程（3）首次回击发生后，通过回击间过程的电荷累积，紧接着会出现自上而下的直窜先导（4）直窜先导则会触发继后回击

6、雷电的各种效应

电动力效应，冲击波效应，光辐射效应，热效应，跨步电压，接触电压，静电感应效应 电动力效应：由于雷电流的峰值很大，作用时间短，产生的电动力有巨大的冲力。

冲击波效应：闪电回击通道的初始平均温度和气压很高，有巨大的瞬时功率，产生爆炸式的冲击波当Ps-Po=380hpa 时墙体被破坏。

光辐射效应：强大的雷电流，是闪电通道内的气体分子和原子被激发高能级，从而产生光辐射，造成升温、升压现象。所以在雷雨云下，一般都伴随着雷暴高压。

热效应：闪电的热效应是说闪电击中地面物，雷电电流产生焦耳--楞次热效应，电流幅值高作用时间短，产生瞬时高温。到植物体内水分剧烈蒸发气体膨胀产生的机械作用可使树木劈裂、器物爆裂、爆炸等。

热效应：闪电击中地面物体，雷电电流产生焦耳--楞次热效应，电流幅值高作用时间短，产生瞬时高温。到植物体内水分剧烈蒸发气体膨胀产生的机械作用可使树木劈裂、器物爆裂、爆炸等。

跨步电压：闪电流入大地后，人的两腿分，开站立时，两脚之间的电压。

接触电压：身体的接触点与地面双脚之间的电压

静电感应效应：闪电的静电感应效应—称之为二次雷击效应，也称之为感应雷。建筑物上的金属构建和进出建筑物的电源线、信号线，在雷雨云临空时积雨云一旦放电，云下的电荷消逝，金属物上的电荷就自由运动，产生对地面物的高电位差，发生闪络造成危害。避免危害的办法是等电位连接，电源和通讯线路上安装避雷器。

7、雷形成的物理过程

（1）雷声起源于闪电通道的初始扩张引发的高压冲击波，它在远距离上退化成为声波。

（2）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。

（3）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扩张。

8、电晕放电

物体表面曲率大的地方(如尖锐、细小物的顶端)，等电位面密，电场强度剧增，致使它附近的空气被电离而产生气体放电，此现象称为电晕放电。尖端放电为电晕放电的一种，在导体尖端的地方，由于电荷密集，电场很强，使空气分子发生电离而形成大量的自由电子和离子在一定的条件下即可导致空气击穿，而发生“尖端放电”现象。

9、大气体电荷密度：

一定体积大气携带正电荷或净负电荷 , 称为大气体电荷。通常用大气体电荷密度描述大气电荷状况 , 单位取 C · cm-3 。

如果体积为τ的大气中携带总的正电荷为 Q+ 、总的负电荷为 Q-, 则大气体电荷密度定义为 )(),(,---+++-+-++=+=-=-=N n e q N n e q q q Q Q τ

ρ

大气电场与体电荷密度的关系：

10、EOSO ：

在消散的雷雨云中观测到电场的阻尼震荡，云中下沉气流使云下部的负电荷向外移动，使云上部的正电荷区显露在云下电场仪上，这叫EOSO ，即雷暴结束时的电场震荡。

雷暴云的EOSO 现象：

A 、倾斜的正、负电极/平流卷云砧；

B 、双极性电荷分布的云，降水将云底的负电荷带走；

C 、发展阶段为正的双极性电荷分布，消散阶段云下负电荷随下沉气流外流到云外；

D 、由于降水和冰粒的相互碰撞以及上升和下沉气流的作用，云中荷电符号发生反转，最后留下负电荷；

E 、与D 类似最后留下正电荷。 （书P106）

11、Sprite

sprite 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。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 。

11、啸声

（1）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。

（2）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可以听见的声音而返回地球，被称为“啸声”。

（3）啸声的音调逐渐降低，即高频部分比低频部分先到达地球。

12、K 变化

（1）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。

（2）它叠加在回击之间或之后及云闪后期的慢电场变化即J 过程上。

（3）K 变化不伴随有云地之间明显的通道发光，原因是K 变化中没有先导到达地面，而只在云内产生电荷的微小调整。

13、Workman —Reynolds 效应：

（1）冻结的水溶液在冰和溶液之间形成电位差。

（2）如果冻结过程被迫中断，或液水由于碰撞被移除，将会在冰和液滴之间产生电荷差，

（3）荷电的性质依赖于离子的类型， Na+ 使冰带正电， Cl-使冰带负电。

14、镜像效应

通常，降水的电流密度与大气电场以反位相随时间变化，即降水电流密度的绝对值和地面大气电场的绝对值随时间同增同减 ，但符号相反这种效应称为镜像效应。

15、全球大气电路

在地球上局地的雷电过程可以通过电离和地球的电传导作用而遍及全球。①在大气电场作用下，正离子向下运动，形成晴天大气传导电流，将大气中的正电荷输送给地球，同时地面的负电荷向上运动与向下运动的正电荷中和。如果无相反的电荷输送，晴天大气电场就很快消失，但是实际上大气电场是稳定的。这就说明大气中必定有一与晴天大气相反方向的电荷输送。②在有云区，电场方向相反，当有雷电出现时，出现闪电电流、尖端电晕电流和降水电流。

16、雷暴云的起电机制

感应起电机制主要包括：雨滴破碎、粒子碰撞、极化水滴的选择捕获。在感应起电机制ρ

ε=??E 0

中，外部电场的感应下，引起降水粒子的电极化，（极化强度取决于所涉及粒子的介电常数），从而出现分离的电荷中心。在晴天电场下，电场方向自上而下。在垂直电场中下落的降水粒子被极化后，上部带负电荷，下部带正电荷。同这些较大的降水粒子相碰撞后的小冰晶或小水滴就获得正电荷，随上升气流向上，从而发生了电荷的转移过程，使得云粒子带正电荷、降水粒子带负电荷。

非感应起电包括：积雨云的温差起电机制、热带对流云起电机制、粒子碰撞起电与降水物粒子破碎起电

17、流光的发展过程

正流光的发展：

受光电离的作用，流光头部附近存在众多的自由电子。在流光头部强电场的作用下，以这些电子为起点，将出现大量的向着流光头部发展的电子雪崩。电子雪崩的头部很快与流光头部汇集在一起。

由于正流光头部带正电，而电子雪崩头部带负电，中和后正电荷汇集在一起形成正流光新头部。正流光就是以这样的形式向前传播的。

负流光的发展：

18、人工引雷及其主要的研究价值

人工引雷指的是在雷暴电环境下利用一定的装置和设施，人为在某一指定地点触发的闪电。火箭-导线人工引雷技术、空中引发雷电技术。

通过对人工引雷的研究可以解决以下很多方面的问题，它们分别是：雷电的发生机理；伴生的声、光、电、磁效应；危害机理和防护技术等。

* 进行雷电物理的研究

* 用于国防建设，作为核爆炸电磁脉冲的模拟源

* 用于对防雷技术和设备的检验

* 在人工影响天气方面有应用前景

19、雷击危害的种类

雷电的作用主要分为：

直击雷——雷直接击在建筑物和设备上而发生的机械效应和热效应。

感应雷——雷电流产生的电磁效应和静电效应。

直击雷危害：瞬时电流高达几万安培，除电效应外，还有热效应导致火灾，熔化物体，使闪电通道膨胀，水分汽化，又造成机械作用。

感应雷危害：雷电感应危害；雷电反击危害

感应雷危害：不在雷电放电通道上，而是在雷电放电过程中产生的瞬时地电位高压、或电磁感应过电压而造成的其他危害

雷电反击危害：雷电落地点由于巨大的电流使得地电位升高，从而使接地的设备外壳与附近的导电部分之间产生高电压，达到一定的值就会产生反击放电，给设备或人身造成危害20、雷击危害的防护措施

建筑防雷系统：接闪器（避雷针、避雷带、避雷网）、引下线、接地装置（垂直埋设的接地体、水平接地体和联接条、人工接地体）

（1）防直击雷

采用避雷针，避雷带或避雷网。一般优先考虑采用避雷针。当建筑上不允许装设高出屋顶的避雷针，同时屋顶面积不大时，可采用避雷带。若屋顶面积较大时，采用避雷网。（2）防间接（感应）雷

采取综合的防护措施：屏蔽，均压，分流，接地

（3）防高电位侵入

（a）配电线路全部采用地下电缆;

（b）进户线采用50~100m长的一段电缆;

（c）在架空线进户之处，加装避雷器或放电保护间隙。

室内外人员防雷：

1）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。

2）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。

3）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。

4）不要进水中，因水体导电好，易遭雷击。

5）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、暖气管道、钢柱等。

21、气溶胶的时空分布特征及其对大气电场的影响

气溶胶的时空分布特征：（1）城市＞农村，陆地＞海洋，冬季＞夏季。

（2）气溶胶浓度具有明显的日变化，其变化规律各地差异很大，一般陆地气溶胶浓度的日变化比海上大，晴天的日变化较阴天大。

（3）气溶胶日变化具有在近地层双峰双谷的特点：第一峰值出现在早晨8时左右（日出后大气热对流加大、湍流垂直输送开始增强，使气溶胶浓度加大）；第二峰值出现在20时左右（傍晚时热对流和湍流垂直输送开始减弱，气溶胶积聚于近地层）；第一谷值出现在4时左右（大气层结稳定，气溶胶多沉降于地面）；第二谷值出现在16时左右（中午前后热对流和湍流垂直输送旺盛，气溶胶输向高层）。

对大气电场的影响：如大气中的气溶胶含量减小, 则大气中的轻离子浓度增大, 就导致大气电导率增加, 从而使大气电场减小。

反之, 若气溶胶含量增加, 则大气轻离子浓度减小, 导致大气电导率减小, 最后大气电场增加。

22、云中的基本电荷结构（第五章）

云中的电荷结构呈典型的偶极电荷分布。

事实上，利用这种方法得到的只是与闪电放电有关的云内电荷分布，在实际的雷暴云中，其电荷结构远比上述简化的偶极电荷模式复杂得多。除了雷暴的主正、负电荷区和底部的小正电荷区外，电荷结构可能会发生倾斜，也可能呈现多偶极形式，而且不同地区的雷暴特征也不完全一样。正的双极性电荷分布：是指云中正、负电粒子有所分离。云体上部形成荷正电中心，下部形成荷负电中心，云中电场随高度先增加，到某一高度达极大值，以后随高度减小。负的双极性电荷分布与正的双极性电荷分布相反。

23、下垫面为海洋及陆地的强对流天气过程中雷电分布的差异及其原因

（1）海洋上大气中的放射性物质比陆地上要少得多，在海洋上的放射率比地壳内小几个量级，因此作为电离源重要性较小，因此海面处大气的电离率仅为地面大气的百分之几

（2）海上雷暴过程中，气溶胶的浓度较低，云滴可以长成较大尺度的雨滴而降落，很少能进入冻结层，无闪电发生。在陆地上，气溶胶浓度很高，会形成小水滴，除了在较高的高度上冰粒子很难形成，在冻结层以上，雷电活动活跃

（3）地面上由于温差较大（即很容易产生较大的温差）容易发生对流，从而容易发生雷电，而海洋上温差小，不易有雷电产生。