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閃電的分類與放電過程——防雷器廠家

人氣:813發表時間:2018-06-21

    雷雲中不同部分之間聚集的不同極性電荷,當積累到一定程度時,就會在雲的不同部分之間、不同雲團之間以及雲團與地麵之間產生很強的電場,該電場的強度平均可達幾千V/m,甚至高達幾萬v/m。這麽強的電位梯度足以把雲內外的大氣擊穿,而在雲與雲或雲與大地之間產生瞬間強火花放電,這就是閃電。
  關於閃電的類型,若按形狀來分有線狀閃電、帶狀閃電、片狀閃電、聯珠狀閃電和球狀閃電。

線狀閃電是最常見的,也是人們了解最多的。它可以發生在雲際,但更多的是發生在雲地之間。線狀閃電可以擊到地麵,也可能達不到地麵。人們看到的像樹枝分叉的線條亮光,其實通常是著幹次線狀放電的重合,隻不過人眼分辨不出來罷了。圖1.20(1)就是線狀閃電的照片,它與其他閃電不同的地方是線狀閃電具有特別大的電流強度,平均可達幾十千安,少數甚至可以達到200-400kA。
   如果正巧有大風吹經閃電通道的空間,線狀閃電的幾次放電通道被吹得分開來,這樣人眼看起來,似乎閃電變寬了,這就是帶狀閃電,如圖1.20(2)所示。帶狀閃電的帶寬通常大約在10m,一般比較少見。如果這種閃電擊到房屋的話,可能引起大麵積的燃燒。
   片狀閃電有兩種情況,一種是線狀閃電被雲體擋住了,閃電的光照亮了上部的雲,或者反射的光映入人眼,這樣閃電就變成了片狀的亮光,另一種可能是出現在雲上部的一種叢集的或閃爍狀的獨立放電,它經常是在雷雲強度已經減弱的情況,降水趨於停止時才出現的較弱放電現象

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  聯珠狀閃電看起來好像一條在雲幕上滑行的,或穿出雲層而投向地麵的發光點連線,也好像是一串閃光的珍珠項鏈,如圖1.20(3)所示,出現聯珠狀閃電的情況極為罕見,它幾乎都是在強雷暴中一次線狀閃電之後偶爾出現的,關於聯珠狀閃電的成因有各種不同的說法,其中之一就是認為它是一串球狀閃電。


   球狀閃電簡稱球閃,俗稱球雷或滾地雷,其外貌如圖1.20(4)所示,好像一團火球,直徑一般在幾厘米到幾十厘米 發出紅色,黃色或藍色的火花。並以每秒幾米的速度在地麵上數米高作水平運動或呈跳躍式運動。球狀閃電的生命史不長,一般大約為幾秒鍾到幾分鍾,隨機性極大。有關它的成因,各種解釋均不能完善說明其特性,故迄今為止仍是自然界中的一個“謎”,尚有待人們進一步去調在研究。


  若從空間位置來分類,閃電又可分為雲內閃電、雲際閃電和雲地閃電。一般將雲內閃電 和雲際閃電合稱方雲閃,它們與人類的關係不大。不過,隨著航空航天事業的發展,以及微電子技術的廣泛應用,雲閃對於人類的危害也逐漸增多,現在已經引起防雷工作者的關注。至於雲地閃電,又簡稱地閃,俗稱落地雷,則與人類的關係極為密切,是防雷研究的主要對象。


  在雷雲放電前,雲中霧狀水滴之間原本是絕緣的。但是,當雷暴天氣的大氣電場強度增大到10*4V/m 程度時就可以使大氣中的電子獲得足夠的動能來碰撞分子,使之電離,並產生新的電子來參與撞擊電離作用,從而出現雪崩似的現象,使空氣成為良導電的通道。在這個電離過程中,原子內部的電子在能級上的躍遷還會發光,這些光子的速度遠遠大於電子的速度,它們加速和擴大了空氣的電離過程。這種發光的導電氣體稱之為“流光”或“汽柱”,它們是閃電通道的先驅,對閃電的形成和發展至關重要。


  雲閃般是從正電荷中心區向下方負電荷中心區發出初始流光。當初始流光到達負電荷中心區時,從負電荷中心區發出不發光的負流光,沿著初始流光的通道反方向行進,把兩個電荷中心聯通,以便完成放電過程。就在聯道的這一瞬間,出現持續時間約為1ns的,作有明亮發光的強放電,它把初始流光輸送並儲存在通道中的電荷全部中和掉,這稱之為反衝流光過程。反衝流光的傳播速度要比初始流光的傳播速度高兩個數量級,大約在l0的8次方cm/s左右,峰值電流可達1000A一次強放電所中和的電荷大約在0.5-35C左右。從地麵上看到的常是片狀閃電。


  至於地內,一般先是雲中的負電荷中心區與下層正電荷中心區之間的強電場產生局部區域的流光發展成雲閃後,使得負電荷區擴展到雷雲的下部。然後雲下端與大地之間的電場強度增大,緊鄰下端的區域電場強度達到最大,於是總有一些地方的空氣被擊穿,出現向下發展的流光,繼麵向下發展形成一段導電的通道。在該通道的前端有大量負電荷,該負電荷尖端下方電場強度最大,因而它又使附近的大氣被擊穿導電和發光。這樣從雲的下端伸向下方的導電通道便逐步向下發展。這稱之為梯級先導。它向下推進的平均速度為1.5 x10的7次方cm/s。但每一梯級先導的推進速皮要比這大得多,一般為5xl0的8次方cm/s左右,其長度平均為50m, 變化範圍在3-200m。


  梯級先導每向下推進一級都要間隔一級時間,以便把電荷輸送到前端,形成擊穿大氣所需要的局部強電場。該間隔時間平均在50μs左右,變化範圍30-125pus。梯級先導的通道直徑較大,一般在1-10m之間。梯級先導的形狀總是一段段的,是方向極不確定的折線,並常帶有幾條分叉,隨機性很大,而絕不是循著大氣電場的方向垂直向下的,這反映出造成空氣擊穿的隨機性。其擊穿


點和方向總是大氣中導電粒子較多的局部區城,也可能是宇宙射線的高能粒子通過附近,為擊穿創造了條件。

  梯級先導的通道,除了前端帶有大量的負電荷之外,通道裏還有導電離子。同時,雷雲中的負電荷也被輸送到整個通道中,它攜帶的電流大約為100-200A經過多次放電、消失、再放電、再消失,梯級先導的通道前端已經到達離地麵很近(大約30-40m)的距離,這時它的趨向開始受地麵物體的影響。通道前端與地麵物體之間形成很強的大氣電場。由於地麵周圍的電荷可以因靜電感應而


大量集中到離先導前端較近的地方來,這樣使之發生電擊穿。此時從
地物體衝出一股明亮無比的光性,沿省由梯級先導開辟的、高度電離的通道向上竄,衝向雷雲,以完成一次回擊放電,如圖1.21 (1)所示。

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  回擊常稱為主放電政主閃擊,因為這個放電差不多把雷雲輸送到整個先導通道中的負電荷都中和完了。主放電的電流最大值可達到10000A左右。由於導電通道是現存的,所以回擊的推進速度當然比梯級先導的推進速度快得多,其平均速度大約為5x10的9次方cm/s,變化範圍在2x10的9次方-2x10的10次方cm/s。但是回擊通道的直徑卻比梯級先導通道的直徑小得多,平均隻有幾厘米,


變化範圍在0.1-2.3cm。它與內電電流的大小有關,而回擊通道的溫度則可達到10000K數量級。

由於雲中帶電粒子是被絕緣的空氣相互分隔的,不能像地麵上電荷那樣可以自由流動,因此一次回擊不可能將雷雲中的電荷完全中和掉。這樣當第一次閃擊放電後,雲中電荷又通過形成導電通道、轉移電荷、重新聚集到負電荷中心。然後緊接著從雲端又伸出一條較暗的光柱,沿著梯級先導開辟的導電通道直衝下米,中間不再歇息,這稱之為“直竄先導”,如圖1.21(2)所示。它帶著


大約1000A電流以大約1x10的8次方-2.1x10的9次方 (平均為2.6x10的8次方) cm/s的速度衝向地麵。由於導電通道是原有的,所以直竄先導的電流和速度都比梯級先導的大。當它到達地麵上空一定距離後,再次引發地麵竄起的回擊,於是出現第二次閃擊放電。


兩大相繼閃擊之間在雷雲中發生的電過程如圖1.22所示。根據雷雲的電荷量,可能還有第三次,第四次一-閃擊放電,實際觀測到的次數最多的達到42次。當然有些地區在某些情況下,閃電隻包含了一次閃擊放電,這稱之為“單閃擊地閃”。相對的多次閃擊放電則稱之為多閃擊地閃”, 俗稱“多重雷擊。多閃擊地閃中各個閃擊間的間隔時間平均為50ms,變化範圍為3ms-380ms一次地閃的特續時間平均為0.2s左右,變化範國為0.01s-2s。後續的各次放電情況基本上與第二次閃擊放電相似。第一次閃擊放電釋放的總值可達幾萬焦耳。由於每次閃擊放電都要消耗雷雲中的電荷,所以後續閃擊放電的強度越來越弱,最後直至雷雲中的電荷完全消耗為止。


 


  主閃擊放電通道很小,閃電釋放的能量大部分都用於加熱通道內的空氣柱上,使空氣的溫度在幾微秒內急劇上開到上萬攝氏度。溫度劇增造成通道內的氣壓猛增到100個大氣壓以上,於是空氣柱內空氣急劇膨張。膨脹後溫度又很快下降,壓力又隨之降低,因而空氣又急劇收縮,這樣空氣的驟脹驟縮便形成衝擊波。該波向外傳播的速度遠大於聲波,但很快就衰破下來,轉化成聲波,這就是伴隨閃電的雷聲。由於雲對雷聲的多次反射,從麵形成雷聲隆隆不斷。


  大氣中,光的傳播速度遠遠大於聲波的傳播速度,因此人們總是先看到閃電麵後才聽到雷聲。當閃電很遠時,聲波可能完全被衰破或折射,這樣就隻見閃電而不聞雷聲。聽不到雷聲的遠處閃電,稱之為閃電或遠閃,而聽得到雷聲的閃電,通常則稱之為雷暴或近雷暴。