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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―在空间各点存在着一个标量，它的数值是空间位置
的函数。 • 矢量场―在空间各点存在着一个矢量，它的大小和方向是空间
位置的函数。 • 梯度―指一个空间位置函数的变化率，在数学上就是它的微
商。 • 标量场的梯度―有这样一个矢量，它沿方向微商最大的方向（即
因此，大气电流密度
j je jw jt
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
jd
1 4
E t
则
j je jw jt jd
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。
• 注： n是等位面的法线方向的位移矢量。
• 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
u Fra Baidu bibliotekkE
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
1 2
（五）晴天大气的体电荷
体电荷密度
• 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。
Q Q
V
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、负离子在大气电场作用下的 定向迁移而形成的；
晴天大气对流电流(jw)―是气流对流携带着体电荷一起移动而形 成的；
扩散电流(jt)―是大气电荷因湍流和扩散而形成的。
• n方向），数值上等于这个最大的方向微商（即 n ），标量
场的梯度记作grad 或 。
• 在直角坐标系中：
i j k
x y z
• 的梯度方向总是与 的等值面垂直的。
• 标量场的梯度是矢量场。例如，电场中的Ｖ是个标量场，它的负
梯度等于场强Ｅ，是个矢量场，即 E V 。
这个式子的意思是：电场强度Ｅ总是指向电位降低的方向，即 Ｅ与n方向相反，所以Ｅ应等于电位梯度的负值。
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：
h
V (h) = 0 E(h)dh
（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。
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―大气分子受射线的碰撞和超微气溶胶粒子与带电分子
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
(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的过冷水和冰晶，云的顶部失去了圆弧形，厚度可发 展到10km左右，底部乌黑，开始出现大雨、暴雨、冰雹和闪电。 这种由热对流产生的乌云又称为热雷云，范围较小，通常在午后 发生，消失也快，但也有达几小时的。在我国华北及西北的夏季 最多见，一般说来，危害不算太大。这种雷暴又称为“气团雷暴”
• 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：
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：
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―在空间各点存在着一个标量，它的数值是空间位置
的函数。 • 矢量场―在空间各点存在着一个矢量，它的大小和方向是空间
位置的函数。 • 梯度―指一个空间位置函数的变化率，在数学上就是它的微
商。 • 标量场的梯度―有这样一个矢量，它沿方向微商最大的方向（即
因此，大气电流密度
j je jw jt
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
jd
1 4
E t
则
j je jw jt jd
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。
• 注： n是等位面的法线方向的位移矢量。
• 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
u Fra Baidu bibliotekkE
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
1 2
（五）晴天大气的体电荷
体电荷密度
• 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。
Q Q
V
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、负离子在大气电场作用下的 定向迁移而形成的；
晴天大气对流电流(jw)―是气流对流携带着体电荷一起移动而形 成的；
扩散电流(jt)―是大气电荷因湍流和扩散而形成的。
• n方向），数值上等于这个最大的方向微商（即 n ），标量
场的梯度记作grad 或 。
• 在直角坐标系中：
i j k
x y z
• 的梯度方向总是与 的等值面垂直的。
• 标量场的梯度是矢量场。例如，电场中的Ｖ是个标量场，它的负
梯度等于场强Ｅ，是个矢量场，即 E V 。
这个式子的意思是：电场强度Ｅ总是指向电位降低的方向，即 Ｅ与n方向相反，所以Ｅ应等于电位梯度的负值。
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：
h
V (h) = 0 E(h)dh
（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。
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―大气分子受射线的碰撞和超微气溶胶粒子与带电分子
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
(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的过冷水和冰晶，云的顶部失去了圆弧形，厚度可发 展到10km左右，底部乌黑，开始出现大雨、暴雨、冰雹和闪电。 这种由热对流产生的乌云又称为热雷云，范围较小，通常在午后 发生，消失也快，但也有达几小时的。在我国华北及西北的夏季 最多见，一般说来，危害不算太大。这种雷暴又称为“气团雷暴”
• 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：
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：