雷电的形成

1、大气带电粒子的形成
大气：由物理性能不同的暖层（电离层）、中间层、
平流层、对流层组成。雷电发生在10Km以下的 对流层。低层大气带电离子的形成对大气中的
雷电发生有着重要作用。 大气带电粒子形成的电离源：
大气中放射性物质辐射的射线 宇宙射线 波长小于1000A的紫外线 闪电、火山爆发、森林火灾、尘暴和雪暴 火箭、飞机、工厂产生的离子
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：离子对/cm3·s。
描述电离源使大气电离的能力。
图1.4 各种电离源产生 的大气电离率随 高度的分布
2、大气电流的产生 ․大气分子被射线电离大气电离子 ․大气电离子随时间、地点、大气离子移动
而变化，使大气离子的空间分布不均匀。若同一 浓度分布区：
里，但并非绝对如此。
（2）理论考虑
起电机制：从微观开始宏观机制（符合力学、电学
基本原理）大气电荷受重力、电场力作用分离、积累
导致闪电。用t0表示时间，H表示出现闪电的大气电场 时体电荷正、负电荷区的垂直间距，则有：
H=∫vdt
（积分号上限为t下限为0）
式中v为电荷分离的相对速度。
云中聚集的体电荷总量Q与云中大气电场E之间有：
E=4л/s • Q
这里E是垂直方向的大气电场，Q近似地分布在一个水平面
的平面上，平面的面积为S。
电场E与垂直的大气电流密度j之间有：
dE/dt = – 4лj
这里j包括：① 受电场力作用而形成尖端放电电流
密度和传导电流密度之总和j1，导致大气电场衰减，反 对积雨云中体电荷聚集。
②重力作用下带电粒子（主要是云中水 滴、冰粒）下沉（较重）、上升(较轻）运动（积雨云较 其它云含水丰富，垂直运动强烈）的对流电流密度，导 致云中宏观体电荷的分离和积聚。设两种电荷分离的相 对速度为v，电荷体密度为，则有对流电流密度
在直角坐标系中，也可表示为：
另外，可用几何图形形象化地描述大气 电场，如图1.1。即用电力线表示静电场。
等为面：测出电 场中电位相同的点， 把这些点用一个面连 接起来，这样的一个 几何曲面就称为等为 面。
图1.1 晴天大气电 场的电力线
电力线与等位面相Baidu Nhomakorabea处总是相互垂直，如 果用单位矢量E表示等位面的法线，则上式就 可简化为：
（1）评判标准
起电过程发生在积雨云初生和成熟阶段。 雷暴单体中出现的电和降水过程平均寿命约为半小时。 一次闪电的电荷平均为20 – 40C。闪电电矩为100C • Km。 闪电发生频率可达几次/分，两次之间有几十秒的间隔。 第一次闪电一般出现于雷达测到积雨云中出现降水粒子之后约10-
20分钟内，云中大范围内大气电场强度大于3×103V • cm-1。 云中主要负电荷区一般位于–5°C层处，正电荷区位于其上方几公
第一节 雷电的形成
一、大气中存在着电场
人们都知道地球有磁场，人们生和在无处 不在的地球磁场中。人的睡眠、电子设备受其 影响，如彩电的“跑彩现象等。但是，大家很 少知道人还生活在无处不在的大气电场中，甚 至连有些大学教课书都没有清楚地提到过，因 此，在某些精密测量中会出现找不处的”怪现 象“，百思不得其解，实际上产生这种情况的 原因是大气中存在电场。
3、积雨云的起电机制
积雨云的起电学说：
积雨云是如何产生电，是弄清雷电是如何产生的重要科学 课题，得到了众多大气物理学家的关注，先后提出几上十种积 雨云起点机制理论。然而，由于到积雨云中去观测、实验的困 难以及在实验作模拟实验的局限性，关于积雨云的起点机制迄 今为止仍然处于探索阶段。下面仅简单介绍目前比较流行的几 种理论。
电场强度E等于电势梯度，所以等势面的 间距保护就可以表征E的数值变化。
导体表面恒为等势面，所以地面有起伏， 空中有导体物时，平行的平面等势面就发生弯 曲如图1.2。
图1.2 晴天大气电 场的等势面
如果在不同高度测量E，就可测出如图 1.3所示的曲线。大气的电场强度数值由地 面向上逐渐减少，到10Km以上，已减小到 地面处的数值的3%。
正、负离子均匀分布，混合在一起，宏观大 气不显电性。
实际上， 除电离源产生的正负离子对外，有 云、雾、降水，树枝、花草、尖端放电产生的电 荷，火山爆发、沙暴、雪暴、输电线路电晕放电 、工厂排烟释放的带电离子等等。 受电场、重 力、对流等因素的非对称作用，大气中各处，正 、负电荷分布不均匀，使任何局部空间都不是中 性，显示有净的体电荷分布。
日常生活中常常可以观察到：在教堂的 尖顶上、渔船的桅杆上、或高压电线上有淡 紫色光笼罩，可以听到磁磁声，嗅到臭氧及 氧化氮味道，它是一种尖端放电，发生在带 电场曲率半径最小的表面位置附近，说明此 处大气电场很不均匀，表现处大气中存在着 电场。
描述大气电场最常用的物理量，一个是 电场强度E，另一个是电势V，二者的关系 为：
雷电的形成、灾害 与雷电流特征
肖稳安
南京气象学院电子工程系 2003年1月25日
夏季，在大气中常常发生伴有巨大隆
隆爆炸声的强烈闪光现象、即雷电现象。 它是雷电防护工作者的主要研究和御护的 对象。
大气中的雷电是如何产生的？ 雷电现象有那些表现形式？ 雷电流的特征是什么？ 它是怎样危害人的生命和财产的？ 这是从事雷电防护工作者必须知道 的基本问题。
j2= v
而
j= j1+ j2
由此可知积雨云中垂直大气电场的增长率为： dE/dt= – 4лj1– 4л v
大气电荷密度的表示：
若体积为V的大气中携带总的正电荷为Q+，负电荷 为Q-，则大气体电荷密度为
晴天，大气正、负离子 电场力作用、随气 流流动、大气湍流扩散影响 运动 形成晴天大
气电流。若用J表示晴天大气电流密度，则：
其中：J为传导电流密度，J为对流电流密度，J为扩散电 流密度。
当大气电场强度发生变化时，还要考虑大气位移电流。
图1.3 大气电场强度E值与高度的关系
二、雷电的形成
实际测量表明： 各地地面大气电场强度是因时、地 而异。 由此可知，大气电场不唯一决定于地球带 电，还于空间电荷分布有关。
通过长期考察： 大气中总是含有大量气体正、负离子，大 气具有微弱导电性。这些带电粒子的生成 、运动和不同带电离子的分离、聚集使大 气显电性、产生大气电场、电流，导致大 气中雷电的产生。