新防雷技术课件 第四章..ppt
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第四章 闪电的物理过程及其特点 第1节 晴天大气电场 (一) 描述大气电场的方法 先介绍几个概念: 标量场―在空间间各点存在着一个标标量，它的数值值是空间间位置 的函数 矢量场场―在空间间各点存在着一个矢量，它的大小和方向是空间间 位置的函数 梯度―指一个空间间位置函数的变变化率，在数学上就是它的微 商 标标量场场的梯度―有这样这样 一个矢量，它沿方向微商最大的方向（ 即 n方向），数值值上等于这这个最大的方向微商（即 ），标标量 场场的梯度记记作grad 或 在直角坐标系中： 的梯度方向总总是与 的等值值面垂直的 标标量场场的梯度是矢量场场例如，电场电场 中的Ｖ是个标标量场场，它的 负负梯度等于场场强Ｅ，是个矢量场场，即 这这个式子的意思是：电场电场 强度Ｅ总总是指向电电位降低的方向，即 Ｅ与n方向相反，所以Ｅ应应等于电电位梯度的负值负值 注： n是等位面的法线线方向的位移矢量 虚线是电力线 实线是等位面 电力线上某点 的切线方向就 是该点的电场 强度方向 电场强度与等 位面垂直 等位面 电力线上某点的切线方向就是该点的电场强度方向 场强与等位面垂直 电场中任一点的电力线密度与该点场强大小成正比 电力线稀疏的地方表示场强小，电力线稠密的地方表示 场强大 电力线起自正电荷，止于负电荷，不会在没有电荷的地 方中断 若带电体系中正、负电荷一样多，则由正电荷出发的全 部电力线都集中到负电荷上去 在没有点电荷的空间里，任何两条电力线不会相交 电力线不形成闭合线 等位面与电力线处处正交 在静电场中导体表面恒为等位面 大地表面是等位面 地球带有稳定的负电荷 地面大气电场强度的方向与地面垂直 晴天大气电场是从高空垂直指向地面，它的数值随着高度的增大 而减小 电位Ｖ(h)是随高度的增加而增加的： （二）各地地面晴天大气电场的平均值 （书第３２页） 物质的第四种状态―等离子态 自然界中的物质除固态、液态、气态外，还有第四种状 态，叫做等离子态。
等离子态是由等量的带负电的电子和带 正电的离子组成 处于等离子态的物质叫做等离子体等离子体在宇宙中 广泛存在用人工方式也可以产生等离子体，如霓虹灯放电 、原子核聚变、紫外线和Ｘ射线照射气体，都可以产生等离 子体 第２节 晴天大气中的电流 （一）大气电离源 能够提供带电粒子的东西称为电离源电离源产生正、负离 子，其浓度相等 对流层（离地十几千米） 雷暴天气主要发生在对流层 有三种电离源：１. 地壳中放射性物质辐射的射线 2 . 大气中放射性物质辐射的射线 3 . 宇宙射线 大气电离率：单位体积和单位时间内大气分子被电离为正、负 离子对的数目，单位是: 离子对／cm3s 大气电离率是表征电离源使大气电离的能力 大气电离率的大小取决于电离源的强度和大气的密度 地壳中的放射性物质辐射三种射线： 射线: 电离能力强，穿透能力差，忽略不计 射线: 电离能力较弱，穿透能力稍强（它是电子流） 射线: 电离能力最弱，穿透能力最强（它是光子流）， 是最主要的电离源 （二）大气离子的变化规律 轻离子―大气分子受射线线的碰撞和超微气溶胶粒子与带电带电 分子 碰撞而形成的离子 重离子―一般气溶胶粒子形成的离子 （三）大气离子运动 离子运动方向与大气电场强度的方向平行，速度为 其中k是离子的迁移率，其物理意义是：离子在单位电场强度下在 大气介质中作等速运动的速率。
k值随高度的增加而迅速增大 （四）大气电导率 定义：单位电场强度的作用下的大气电流密度，单位是1/cm 由于大气离子有正和负，故有正极性电导率１和负极性电导率２ （五）晴天大气的体电荷 体电荷密度 式中 Q+ 是体积V内的正电荷值 Q 是体积V内的负电荷值 体电荷密度 随地区和大气高度而变化 （六）晴天大气电流 晴天大气电流包括: 晴天大气传导电流(je)―是大气正、负负离子在大气电场电场 作用下的 定向迁移而形成的； 晴天大气对流电流(jw)―是气流对对流携带带着体电电荷一起移动动而 形 成的； 扩散电流(jt)―是大气电电荷因湍流和扩扩散而形成的 因此，大气电流密度 当大气电场强度发生变化时，有位移电流产生，其电流密度为 则 第３节 雷雨云 积雨云俗称雷雨云，这种云的形状是积云浓厚，庞大，像高山， 顶布模糊，底很阴暗，云底很低（高约2500米），颜色乌黑伴 随出现的天气是多云或阴，有雷阵雨，伴有大风雷电，有时产生 冰雹，甚至龙卷风等。
第一种情况： 在积雨云阶段，垂直对流非常强烈，云中除了水雾滴外，还有温 度低于0C的过过冷水和冰晶，云的顶顶部失去了圆圆弧形，厚度可发发 展到10km左右，底部乌乌黑，开始出现现大雨、暴雨、冰雹和闪电闪电 这这种由热对热对 流产产生的乌乌云又称为热为热 雷云，范围较围较 小，通常在 午后发发生，消失也快，但也有达几小时时的在我国华华北及西北 的夏季最多见见，一般说说来，危害不算太大这这种雷暴又称为为“气 团团雷暴” 第二种情况： 这种情况叫做“锋面雷暴”，白天晚上均可发生，南方比北方多 ，山地比平原多，内陆比沿海多这种“锋面雷暴”的影响与程 度比第一种的大得多 关于气象学上的锋的概念 锋：大气中不同性质的气团，如冷气团、暖气团之间有一个过 渡区域，当它十分狭窄的时候，气象学就称它为锋，在锋的两 侧温度有剧烈差异 在研究讨论中，常把锋看成为面，故又称之为锋面它与水平 面的交线称为锋线，其长度从几百公里至几千公里 根据锋的移动情况不同，可以把它分为几类： 冷锋 暖锋 锢囚锋 锋的示意图 雷暴的移动特点和天气的特征 一般情况，雷暴大体上随500hPa高度上气流方向 运行，其速度平均为30一40km／h。
一般是春秋季 大于夏季，夜间大于白天，但地形对雷暴移动有影 响，一般是： (1)积雨云遇山地阻挡，由于迎风面有上升气 流影响，使雷暴在山地的迎风面停滞少动 (2)当积雨云受山脉阻挡时，雷暴即沿山脉走 向移动，如山脉有缺口时，则雷暴顺着山口移动 第4节、积雨云中的电结构 对积雨云中的电荷结构的研究一直是大气电学研究的重要内容 ，主要手段有： 实际观测 实验室模拟 数值模式研究 其中实际观测一般采用三种方式： （1）利用闪电电场变化的多站地面观测来拟合闪电源的位置从而 推测与闪电放电有关的云电荷分布 （2）火箭或气球携带电场仪穿云观测，利用云内测量到的电场变 化，通过高斯定理来估算云中的电荷结构 （3）飞机穿云观测 典型的雷暴云电荷结构: 偶极性结构：上正下负，如我国南方地区 三极性 结构上正中负下正，如我国西北地区实际上，雷暴云的电 荷结构要远远复杂的多！并且地域差别也很大，绝不能照抄照搬！ 积雨云电荷分布的特点 （１）大致有三个电荷集中区； （２）最高集中区是正电荷，中间区是负电荷，最低区为正电荷 （最低区的正电荷量比较少）； （３）负电荷中心离地较近而且带电量最多。
晴天大气电场的方 向是自高空指向地面，而当乌云临空时，大气电场方向反转为 自地面指向高空； （４）从远离积雨云的地方观测，云的电性近似电偶极子 第５节 积雨云的起电机制 积雨云的起电原因，有三种学说： （一）感应起电学说 （二）温差起电学说 （三）破碎起电学说 多年来，积雨云的起电机制曾引起许多大气物理 科学家的关注，先后提出了不下几十种积雨云起电机 制理论，但由于直接对积雨云中起电过程的观测较为 困难，所以这些理论多基于实验室的一些起电研究结 果，尚难以得到积雨云内起电机制实际观测的直接证 实由此可见，对积雨云起电机制的研究目前仍处于 探索阶段，离该问题的根本解决尚有一定距离 第六节 闪电的类型 从发生的空间位置分类，闪电可分为： 地闪 云闪 云内闪电 云间闪电 云---空气闪电 正地闪 上行正地闪 下行正地闪 上行负地闪 下行负地闪 负地闪 闪电 闪电的分类示意图 a) 线状闪电是一种蜿蜓曲折、枝叉纵横的树型电火花，长达2km ～ 3km，也有超过10km的，是闪电中最强烈的一种，大多出现 在雷云与大地之间的放电 b) 片状闪电是一种出现在云层表面的闪电，这种闪电是由于电荷储 量较少，尚未到线状闪电以前就停止了，有时在云层上部出现 若隐若现的火花，这种雷电一般较弱。
c) 链状闪电是一条发光虚线，象一条链子一样，它通常是紧随着线 状闪电之后而在原有线状闪电的地方出现在云间和云与大地 之间都可能出现 d) 球状闪电是一团火球形状的东西，约有足球般大小，个别的直经 有几米，它的窜动速度很小，一般寿命不超过10min，能很容易 凭肉眼看到它的踪迹 从形状来看，闪电又可分为： 流光―云中雾雾状水滴之间间是绝缘绝缘 的，当局部地区的大气 电场电场 达到10４V／cm程度,带电雾带电雾 滴间间就会出现现空 气介质质的强电击电击 穿放电电，并发发出光，这这就是流 光 反冲流光―开始，从正电电荷中心区向下方负电负电 荷中心区 发发生初始流光，在它将到达负负中心区时时，从 负电负电 中心发发生不发发光的负负流光，沿初始流光 通道反方向进进行，把两个电电荷中心连连通，完 成放电过电过 程在这这瞬间间就出现现持续时间约续时间约 １ ms的伴有明亮发发光的强放电过电过 程，它把初始 流光所输输送并储储存在通道中的电电荷中和掉， 这这就叫反冲流光过过程 （从地面看到的是片状的闪光） 第七节 球状闪电 也叫球闪、俗称滚地雷 关于球状闪电的理论很多，迄今已有几十种，但还没有一种完善的 理论可以解释上述的种种球形闪电的基本特征。
首先的困难是无法 取得确切的实测数据，无法作实验论证从理论上看，难以说明稳 定达几秒钟的“火球”的能量问题对于能量来源分为两派，一派认 为能量来自球闪的内部，另一派认为能量来自外部不少人认为球 形闪电是一团带电气体，是混合气，释放化学能来维持它的稳定 另有一些人认为它是一高频电磁波谐振腔，对雷暴期间产生的高频 电磁辐射形成共振吸收，从而使“火球”获得电能维持稳定总之， 这个球闪问题尚是个自然奇观的“谜”，有待进一步研究 谜 第八节 地闪的结构 (一) 开阔地带地闪的全过程 弄清楚几个问题： １. 积雨云电荷分布的特点是有三个电荷集中区：积雨云电荷分布的特点是有三个电荷集中区： 最高区是正电荷，中间区是负电荷，最低区为正电荷（最低最高区是正电荷，中间区是负电荷，最低区为正电荷（最低 区的正电荷量较少，起主要作用的是中间负电荷区域）；区的正电荷量较少，起主要作用的是中间负电荷区域）； 负电荷中心离地较近而且带电量最多晴天大气电场的方向负电荷中心离地较近而且带电量最多晴天大气电场的方向 是自高空指向地面，而有积雨云时，。
