閃電的分類與放電過程——防雷器廠家
雷云中不同部分之間聚集的不同極性電荷,當(dāng)積累到一定程度時,就會在云的不同部分之間、不同云團(tuán)之間以及云團(tuán)與地面之間產(chǎn)生很強(qiáng)的電場,該電場的強(qiáng)度平均可達(dá)幾千V/m,甚至高達(dá)幾萬v/m。這么強(qiáng)的電位梯度足以把云內(nèi)外的大氣擊穿,而在云與云或云與大地之間產(chǎn)生瞬間強(qiáng)火花放電,這就是閃電。
關(guān)于閃電的類型,若按形狀來分有線狀閃電、帶狀閃電、片狀閃電、聯(lián)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(fā)生在云際,但更多的是發(fā)生在云地之間。線狀閃電可以擊到地面,也可能達(dá)不到地面。人們看到的像樹枝分叉的線條亮光,其實(shí)通常是著干次線狀放電的重合,只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(qiáng)度,平均可達(dá)幾十千安,少數(shù)甚至可以達(dá)到200-400kA。
如果正巧有大風(fēng)吹經(jīng)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,可能引起大面積的燃燒。
片狀閃電有兩種情況,一種是線狀閃電被云體擋住了,閃電的光照亮了上部的云,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(xiàn)在云上部的一種叢集的或閃爍狀的獨(dú)立放電,它經(jīng)常是在雷云強(qiáng)度已經(jīng)減弱的情況,降水趨于停止時才出現(xiàn)的較弱放電現(xiàn)象
聯(lián)珠狀閃電看起來好像一條在云幕上滑行的,或穿出云層而投向地面的發(fā)光點(diǎn)連線,也好像是一串閃光的珍珠項(xiàng)鏈,如圖1.20(3)所示,出現(xiàn)聯(lián)珠狀閃電的情況極為罕見,它幾乎都是在強(qiáng)雷暴中一次線狀閃電之后偶爾出現(xiàn)的,關(guān)于聯(lián)珠狀閃電的成因有各種不同的說法,其中之一就是認(rèn)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(tuán)火球,直徑一般在幾厘米到幾十厘米 發(fā)出紅色,黃色或藍(lán)色的火花。并以每秒幾米的速度在地面上數(shù)米高作水平運(yùn)動或呈跳躍式運(yùn)動。球狀閃電的生命史不長,一般大約為幾秒鐘到幾分鐘,隨機(jī)性極大。有關(guān)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(jìn)一步去調(diào)在研究。
若從空間位置來分類,閃電又可分為云內(nèi)閃電、云際閃電和云地閃電。一般將云內(nèi)閃電 和云際閃電合稱方云閃,它們與人類的關(guān)系不大。不過,隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展,以及微電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用,云閃對于人類的危害也逐漸增多,現(xiàn)在已經(jīng)引起防雷工作者的關(guān)注。至于云地閃電,又簡稱地閃,俗稱落地雷,則與人類的關(guān)系極為密切,是防雷研究的主要對象。
在雷云放電前,云中霧狀水滴之間原本是絕緣的。但是,當(dāng)雷暴天氣的大氣電場強(qiáng)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,并產(chǎn)生新的電子來參與撞擊電離作用,從而出現(xiàn)雪崩似的現(xiàn)象,使空氣成為良導(dǎo)電的通道。在這個電離過程中,原子內(nèi)部的電子在能級上的躍遷還會發(fā)光,這些光子的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子的速度,它們加速和擴(kuò)大了空氣的電離過程。這種發(fā)光的導(dǎo)電氣體稱之為“流光”或“汽柱”,它們是閃電通道的先驅(qū),對閃電的形成和發(fā)展至關(guān)重要。
云閃般是從正電荷中心區(qū)向下方負(fù)電荷中心區(qū)發(fā)出初始流光。當(dāng)初始流光到達(dá)負(fù)電荷中心區(qū)時,從負(fù)電荷中心區(qū)發(fā)出不發(fā)光的負(fù)流光,沿著初始流光的通道反方向行進(jìn),把兩個電荷中心聯(lián)通,以便完成放電過程。就在聯(lián)道的這一瞬間,出現(xiàn)持續(xù)時間約為1ns的,作有明亮發(fā)光的強(qiáng)放電,它把初始流光輸送并儲存在通道中的電荷全部中和掉,這稱之為反沖流光過程。反沖流光的傳播速度要比初始流光的傳播速度高兩個數(shù)量級,大約在l0的8次方cm/s左右,峰值電流可達(dá)1000A一次強(qiáng)放電所中和的電荷大約在0.5-35C左右。從地面上看到的常是片狀閃電。
至于地內(nèi),一般先是云中的負(fù)電荷中心區(qū)與下層正電荷中心區(qū)之間的強(qiáng)電場產(chǎn)生局部區(qū)域的流光發(fā)展成云閃后,使得負(fù)電荷區(qū)擴(kuò)展到雷云的下部。然后云下端與大地之間的電場強(qiáng)度增大,緊鄰下端的區(qū)域電場強(qiáng)度達(dá)到最大,于是總有一些地方的空氣被擊穿,出現(xiàn)向下發(fā)展的流光,繼面向下發(fā)展形成一段導(dǎo)電的通道。在該通道的前端有大量負(fù)電荷,該負(fù)電荷尖端下方電場強(qiáng)度最大,因而它又使附近的大氣被擊穿導(dǎo)電和發(fā)光。這樣從云的下端伸向下方的導(dǎo)電通道便逐步向下發(fā)展。這稱之為梯級先導(dǎo)。它向下推進(jìn)的平均速度為1.5 x10的7次方cm/s。但每一梯級先導(dǎo)的推進(jìn)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, 變化范圍在3-200m。
梯級先導(dǎo)每向下推進(jìn)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(qiáng)電場。該間隔時間平均在50μs左右,變化范圍30-125pus。梯級先導(dǎo)的通道直徑較大,一般在1-10m之間。梯級先導(dǎo)的形狀總是一段段的,是方向極不確定的折線,并常帶有幾條分叉,隨機(jī)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(jī)性。其擊穿
梯級先導(dǎo)的通道,除了前端帶有大量的負(fù)電荷之外,通道里還有導(dǎo)電離子。同時,雷云中的負(fù)電荷也被輸送到整個通道中,它攜帶的電流大約為100-200A經(jīng)過多次放電、消失、再放電、再消失,梯級先導(dǎo)的通道前端已經(jīng)到達(dá)離地面很近(大約30-40m)的距離,這時它的趨向開始受地面物體的影響。通道前端與地面物體之間形成很強(qiáng)的大氣電場。由于地面周圍的電荷可以因靜電感應(yīng)而
地物體沖出一股明亮無比的光性,沿省由梯級先導(dǎo)開辟的、高度電離的通道向上竄,沖向雷云,以完成一次回?fù)舴烹姡鐖D1.21 (1)所示。
回?fù)舫7Q為主放電政主閃擊,因?yàn)檫@個放電差不多把雷云輸送到整個先導(dǎo)通道中的負(fù)電荷都中和完了。主放電的電流最大值可達(dá)到10000A左右。由于導(dǎo)電通道是現(xiàn)存的,所以回?fù)舻耐七M(jìn)速度當(dāng)然比梯級先導(dǎo)的推進(jìn)速度快得多,其平均速度大約為5x10的9次方cm/s,變化范圍在2x10的9次方-2x10的10次方cm/s。但是回?fù)敉ǖ赖闹睆絽s比梯級先導(dǎo)通道的直徑小得多,平均只有幾厘米,
由于云中帶電粒子是被絕緣的空氣相互分隔的,不能像地面上電荷那樣可以自由流動,因此一次回?fù)舨豢赡軐⒗自浦械碾姾赏耆泻偷簟_@樣當(dāng)?shù)谝淮伍W擊放電后,云中電荷又通過形成導(dǎo)電通道、轉(zhuǎn)移電荷、重新聚集到負(fù)電荷中心。然后緊接著從云端又伸出一條較暗的光柱,沿著梯級先導(dǎo)開辟的導(dǎo)電通道直沖下米,中間不再歇息,這稱之為“直竄先導(dǎo)”,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的速度沖向地面。由于導(dǎo)電通道是原有的,所以直竄先導(dǎo)的電流和速度都比梯級先導(dǎo)的大。當(dāng)它到達(dá)地面上空一定距離后,再次引發(fā)地面竄起的回?fù)簦谑浅霈F(xiàn)第二次閃擊放電。
兩大相繼閃擊之間在雷云中發(fā)生的電過程如圖1.22所示。根據(jù)雷云的電荷量,可能還有第三次,第四次一-閃擊放電,實(shí)際觀測到的次數(shù)最多的達(dá)到42次。當(dāng)然有些地區(qū)在某些情況下,閃電只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,變化范圍為3ms-380ms一次地閃的特續(xù)時間平均為0.2s左右,變化范國為0.01s-2s。后續(xù)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(dá)幾萬焦耳。由于每次閃擊放電都要消耗雷云中的電荷,所以后續(xù)閃擊放電的強(qiáng)度越來越弱,最后直至雷云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于加熱通道內(nèi)的空氣柱上,使空氣的溫度在幾微秒內(nèi)急劇上開到上萬攝氏度。溫度劇增造成通道內(nèi)的氣壓猛增到100個大氣壓以上,于是空氣柱內(nèi)空氣急劇膨張。膨脹后溫度又很快下降,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沖擊波。該波向外傳播的速度遠(yuǎn)大于聲波,但很快就衰破下來,轉(zhuǎn)化成聲波,這就是伴隨閃電的雷聲。由于云對雷聲的多次反射,從面形成雷聲隆隆不斷。
大氣中,光的傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聲波的傳播速度,因此人們總是先看到閃電面后才聽到雷聲。當(dāng)閃電很遠(yuǎn)時,聲波可能完全被衰破或折射,這樣就只見閃電而不聞雷聲。聽不到雷聲的遠(yuǎn)處閃電,稱之為閃電或遠(yuǎn)閃,而聽得到雷聲的閃電,通常則稱之為雷暴或近雷暴。
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