雷电物理学期末复习-雷电学原理.pdf

雷电物理学雷电物理学 第一章第一章 雷电研究史上的里程碑雷电研究史上的里程碑 1 富兰克林风筝实验与避雷针 2 闪电光谱和基于 Boys 相机的条纹照相 3 雷暴云内电荷结构与 Simpson 电场探空 作为了解 4 雷电电流测量与 Berger 回击峰值电流分布 主要是利用高塔测量 负地闪和正地闪首次 回击的几何电流平均值为 30kA 负地闪继后回击电流峰值的几何平均值为 12kA 5 全球大气电路概念与 Carnegie 曲线 作为了解 第二章第二章 雷暴云雷暴云电荷电荷结构结构和和起电起电机制机制 1 电荷结构 电荷结构 偶极性 反偶极性 三极性等 2 大气电离率 大气电离率 定义为单位时间内单位体积内 大气分子被电离为正负离子的数目 取决于电离强度 大气密度 3 非非感应起电机制 感应起电机制 高于反转温度 Tr的区域 冰晶和霰粒子碰撞 正电荷被转移到霰粒子上 冰晶获得负电荷 低于反转温度 Tr的区域 冰晶和霰粒子碰撞 冰晶获得正电荷 霰粒子获得负电荷 当云水含 量过高或过低 霰粒子都获得正电荷 而冰晶粒子都获得负电荷 霰粒子和冰晶粒子碰撞获得 电荷极性反转的温度被定义为反转温度 Tr 当云含水量为 1g m3时 对应的反转温度为 10 Takahashi 或者 20 Jayaratne 这 种差异可能与过冷水滴的尺寸分布有关 也可能与霰粒子在穿过混合区域时实际的表面温度有 关 4 雷暴云电场探空技术 雷电监测预警 a 电晕针探空仪 b 场磨电场探空仪 c 双金属球电场仪 第三章第三章 下行负地闪概述下行负地闪概述 1 预击穿过程 预击穿过程 雷暴云内的水成物粒子在电场的作用下变形引起局部电场增强 从而引起电 晕流光 并导致空气击穿 此过程称为预击穿过程 预击穿 过程 梯级先 导 连接过 程 首次回 击 闪击间 过程 直窜先 导 继后回 击 2 双向先导传输 双向先导传输 预击穿过程中正 负先导起始于同一位置 在相隔几毫秒的时间内先后沿 相反方向击穿发展 正 负先导分别向低电位 负电荷区 和高电位 正电荷区 发展 这就是所谓的双向先导传输 3 预击穿脉冲的特点 预击穿脉冲的特点 负地闪预击穿波形及脉冲宽度和相邻脉冲间隔的统计结果 上图给出了大兴安岭地区的负地闪预击穿脉冲的统计结果 预击穿脉冲序列的总持续时间 为 4 1ms 其中首个脉冲前半周期峰值点到首次回击的峰值点之间的时间间隔为 55 4 34 3ms 单个脉冲持续时间为 8 8 4 9 s 相邻脉冲时间间隔为 111 0 49 1 s 4 雷暴云雷暴云内电场增强的内电场增强的可能可能原因 原因 当环境电场为 400 500kV m 时 一小部分的水成物粒子能 产生电晕放电 形成 种子流光 这些种子流光相互交织 能使局部电场增强一个量级以 上 5 先导与流光的区别 先导与流光的区别 流光呈刷状或片状等 很难稳定传输 温度较低 导电性较差 发光 比较暗淡 而先导能稳定沿某一方向传输 温度较高 导电性较好 发光很亮 6 空中先导 空中先导 由于流光通道断裂 且前部流光丝的继续发展 必定在断裂处堆积正电荷 形 成的孤立电荷柱称为空中先导 7 梯级先导 梯级先导 一个或多个空中先导和负先导不断对接使得通道以梯级的形式向前发展 特征特征 传播速度为 105m s 一个先导梯级持续时间约为 1 s 梯级长度为几十米左右 梯 级间隔时间约为 50 s 梯级先导在几十毫秒时间内向闪电通道沉积几库仑到几十库仑的负 极性电荷 平均先导电流约为 300A 其中 单个梯级脉冲电流约 1kA 与之对应的电磁场 也呈脉冲形式 其脉冲宽度约为 1 s 上升时间小于 0 1 s 8 引路流光 引路流光 空中先导向负先导头部激发的正极性流光称为所谓的 引路流光 9 连接先导 连接先导 当下行梯级先导传播至地面以上几十米至上百米距离时 先导头部电荷产生的 电场对地面凸起物体的影响增加 当尖端物体表面的某一点或几个点处的电场增加到超过 周围空气的击穿阈值时 便发生向上发展的 一个或多个连接先导 10 连接过程 连接过程 产生连接先导的过程 直到下行先导和上行连接先导在某一高处相遇 11 闪击距离 闪击距离 连接点距上行先导始发点的距离称为闪击距离 12 多接地点闪击 多接地点闪击 负地闪首次回击前的梯级先导过程通常具有较多的分支 他们中的某些分 支会在很短的时间内依次到达地面 形成多接地点闪击 形成机理 形成机理 当某一先导通道先接地后 地面零电位波以接近光速向上传播 比负梯级先导 大两个量级左右 在另一支分支先导通道接地之前 如果被零电位波赶上 则这个分支通 道无法接地 反之 如果零电位波没有赶上另一支分支通道的向下发展 则可能形成多接 地先导 引多个接地点回击 13 一次负地闪首次回击过程在两个测站产生的同步电场及其变化率一次负地闪首次回击过程在两个测站产生的同步电场及其变化率 图中用字母 K 标志的小脉冲对应梯级先导的最后一跳有明显的缓慢上升 即意味着连接先 导始发 LB 明显向下快速移动 平均三维速度为 1 2 108m s 垂直向下传输的速度为 5 8 107 6 4 107m s 比一般的梯级先导大两个量级左右 LB 脉冲电流强度最高达 20kA 且持续时间不到 1 s 远远小于上行连接先导几十至两百微秒的持续时间 SF 即慢前沿出 现在 LB 脉冲的附近 意味着二者紧密相关 密切发展 T1 和 T2 表示快变化过程的两个时 刻 慢前沿和快变化的物理机制 慢前沿和快变化的物理机制 它们对应多个下行先导和连接先导的多次连接 慢前沿过程 的脉冲比较小 可能对应比较小的分支 在快变化主脉冲后 也可能出现最后一个大脉冲 这个脉冲对应回击峰值后的一肩状结构 14 闪击距离与雷电流峰值之间的关系 闪击距离与雷电流峰值之间的关系 一般认为闪击距离的大小与雷电强度 地面尖端物的高度等许多因素有关 通常假定闪击 距离与雷电流幅值直接相关 r aIb 式中 r 为闪击距离 单位 m I 为雷电流幅值 单 位 kA a b 为常数 15 首次回击 首次回击 由于下行先导与连接先导之间存在巨大的点位差 二者连接后会产生非常强烈 的瞬间放电现象 电流波沿着已经电离的先导通道继续向上传播 此过程称为首次回击 特点 特点 回击的上行速度大约为光速的 1 3 随高度的增加而减小 整个回击过程持续几十至 上百微秒 回击能量的迅速释放将加热原先的先导通道 瞬间达到 30000K 左右 产生的高 温高压使通道迅速扩张 并产生冲击波 最终变为雷声 16 地闪回击电流的地闪回击电流的峰值 峰值 地闪回击电流的峰值与雷暴云和大地之间的环境电场大小有关 二 者满足 Ip kE0 967 Ip和 E 分别为回击电流峰值和环境电场大小 k 为系数 17 箭式先导 箭式先导 首次回击后 如果在较短时间内通道顶部能重新产生足够的电荷则可能发生箭 式 也称直窜 先导或箭式 梯级先导 传播速度一般比梯级先导大一个量级左右 约为 106 107m s 量级 18 继后回击 继后回击 即由箭式 直窜 先导或箭式 梯级先导引导的回击 19 闪击加拿大多伦多闪击加拿大多伦多 CN 塔的一次闪电回击电流波塔的一次闪电回击电流波形及其变化率形及其变化率 目的 利用高塔遭雷击数据对闪电定位系统进行标定 采集记录自然雷电流波形 从图中看出 回击电流变化率出现多次震荡 对应电流波在塔顶和塔底的多次反射 将电 流变化率积分后的电流波形大致呈两个峰值 小的脉冲是干扰产生的 第二个峰值大于第 一个峰值 第二个峰值对应电流波在塔底的反射 这是高塔测量雷电流具有的普遍特点 20 连续电流过程 连续电流过程 在回击过程停止后 即脉冲电流停止 回击通道内仍可能存在约几百安培 甚至高达 1kA 的量级的连续电流 其持续时间一般为几十到几百毫秒不等 可引起缓慢而 大幅度的地面电场变化 且整个雷电通道持续发光 这个过程被称为持续电流过程 21 M 分量分量过程过程 有时也称 M 变化 是指叠加在地闪连续电流上的脉冲过程 伴随着放电通道 的突然增亮以及电场突变 22 K 变化 变化 K 变化就是发生在云内的负反冲流光在地面产生的电场突变 23 K 变化 箭式先导和变化 箭式先导和 M 分量的对比 分量的对比 K 变化 箭式先导和 M 分量具有共同或类似的物理本 质 都是由发生在已经电离的通道中的负极性 或正极性 反冲流光引起 K 变化对应的 反冲流光没有到达接地的通道 属于云内放电 而箭式先导和 M 分量对应的反冲流光进入 接地通道 发生箭式先导的接地通道导电性较差 或通道比较暗淡 在脉冲接近地面时 由于存在较大的电位差 可能触发回击过程 当反冲流光进入导电性能好的接地通道 或 通道比较亮 时 产生放电比较慢的 M 分量 24 Howard 等利用多站电厂变化率 dE dt 数据 通过时间差法 TOA 定位技术分析发现 负先导梯级过程的电场变化率可能是一次孤立的双极性脉冲 也可能由一系列双极性脉冲 组成 负先导的梯级发展并不是单一的一次击穿放电 而是由比较复杂的一系列放电过程 组成 25 条纹相机拍摄的一次箭式先导条纹相机拍摄的一次箭式先导 回击光脉冲回击光脉冲 箭式先导产生明显的光脉冲 脉冲波形20 80 的上升沿时间为0 5 1 s 脉冲宽度为2 6 s 脉冲形状随高度变化不大 与箭式先导光脉冲不同 回击脉冲从地面始发 随高度增加 幅值减小 波头上升沿时间增大 回击脉冲在临近地面时 20 80 上升沿时间为 1 2 s 幅值比箭式先导大 2 3 倍 26 两次负地闪的先导两次负地闪的先导 回击电场变化波形 右列为左列的时间展开图回击电场变化波形 右列为左列的时间展开图 从图中可以看出 发生距离较近的负地闪 A 的先导 回击波形基本呈 V 型结构 负先导 图 中 L 引起的地面电场变化为负 定义头顶正电荷在地面产生正电场 先导结束点为 V 型 结构的底部 对应回击的开始 发生距离较远的地闪 B 的先导电场呈明显变化 根据源电荷先导模式 当距离较远时地面电场的变化主要由于云内减少的负电荷产生 因 此电场极性为正 当距离较近时地面电场的变化受通道负电荷控制 电场极性为负 27 一次负地闪先导过程的电场变化及其一次负地闪先导过程的电场变化及其 VHF 辐射特征辐射特征 闪电发生距离为 20 47km 然后经过频谱分析得到了归一化到 50km 处的先导频谱 结果 表明 超过 10MHz 的高频成分急剧衰减 这与粗糙海洋和陆地对高频分量的衰减有一定关 系 28 负先导的发展机制负先导的发展机制 大气中的自由电子由宇宙射线或自由电子产生 并吸附在其他原子上 当环境电场超过击穿阈值时 自由电子被加速 撞击其他粒子或粒子 产生电子雪崩 当 电子电离率大于吸附率时 流光 电晕 放电开始 对应的区域称为活跃区 树状流光丝 不断发展 等效地将负电荷向前传输 但负电荷主要集中在流光丝的尖端 流光通道近似 于等离子通道 由于负电荷在流光丝尖端的堆积 从而对树状流光丝中间部位产生静电场 屏蔽 随着电场的减弱 通道难以维持导电性 电流消失 通道从中部某一点冷却断裂 不过 由于前部流光丝的继续发展 必定在断裂处堆积正电荷 可能形成一段孤立的电荷 柱 即空中先导 随后 这些空中先导向负先导头部激发的正极性流光称为所谓的 引路 流光 负先导前段可能有一个或几个空中先导同时发展 充足的电流使得流光通道加热 当温度上升到能维持通道良好的导电性时 发生 电晕 电弧 转化 Ortega et al 1994 产生梯级 负先导的这种发展呈周期性 以梯级的形式不断向前发展 速度为 105 106m s 29 正先导的发展机制 正先导的发展机制 正先导前端的流光呈细丝状的树状分支 维持先导导电性的最低温度 为 1000 2000K 由于电子质量小 迁移率大 因此 尖端正电荷的堆积引起了周围自由电 子不断汇聚 形成比较稳定的电流 产生的流光丝不断加热通道 维持良好的导电性 如 果产生的流光丝数目适中 则引起正先导连续传输 没有明显的梯级特点 保证正先导稳 定传输的流光丝电荷密度为 50 C m 速度为 104m s 如果流光丝太少 则不能加热正先 导前端到足够温度 限制了先导的发展 如果流光丝太多 正流光丝的树状分支引起内部 电场减小 无法驱动电荷运动 内部流光通道可能产生断流 在断流处不断堆积负电荷 引起负极性击穿 沿着正先导通道原路返回 形成速度比正先导大一个量级以上的负极性 反冲流光 30 空中先导的电流具有明显的双峰现象 可能与空中先导的双向传输有关 31 负先导过程的静电力模式 负先导过程的静电力模式 1 源电荷先导模式 源电荷先导模式假定环境电场为零 并认定先导始发于空间源电荷 以单极性向一个方向传输 在先导通道中电荷均匀分布 详见课本 P55 2 双向先导模式 闪电可以等效为环境电场中的一个导体 详见课本 P56 32 高塔对雷电流测量的影响 高塔对雷电流测量的影响 利用地面高塔进行雷电流的测量尽管增大了获取雷电流的概率 但由于高塔对雷电流瞬态过程的影响 测量的雷电流及其同步磁场多少会受到不同程度的 影响首次回击一般为 30kA 继后回击一般为 12kA 表见课本 P63 高塔对雷电流的影响是由于高塔本身的阻抗 塔的接地阻抗和雷电通道阻抗三者不匹配 使得瞬态雷电过程在塔内存在反射 因此在塔的不同位置测量的雷电流不同 高塔对首次回击电流波形的影响比继后回击大 塔顶的测量误差比塔底小 由于继后回击 电流波头较短 从顶部测量的电流波形出现次峰震荡 其实 如果塔的高度远小于雷电流 最小的特征波长 则高塔影响可以忽略 33 回击电流模型回击电流模型 1 TL 模型考虑通道高度影响 假定回击速度 v 沿雷电通道无衰减传输 回击前沿以上电 流为 0 i z t i 0 t z v 2 MTLE 模型 认为回击电流随高度以指数减小 i z 0 z v 3 MTLL 模型 认为回击电流随高度线性减小 i z t 1 z H i 0 t z v 第四章第四章 正地闪 云闪和其他类型闪电正地闪 云闪和其他类型闪电 1 正地闪与负地闪区别 正地闪与负地闪区别 1 最本质区别是正地闪向大地输送正电荷 负地闪向大地输送负电荷 2 其次正地闪发生概率较低 3 正地闪通常连续发展 而负地闪通常呈梯级发展 4 正地闪回击数一般较少 大多数正地闪只包括一次回击过程 相比之下负地闪一般都 包括两次以上回击 5 正地闪回击电流峰值较大且持续时间较长 释放电荷量较大 其产生的 ELF 信号在几 千甚至上万千米范围内观测到与负地闪相比正地闪释放大电荷量可能性较大 6 正地闪速度快 产生的 VHF 辐射较强 正先导速度比负先导小一个量级 产生的 VHF 辐射很难被 VHF 辐射源定位探测到 但是正先导发展过程中的负极性反冲流光是可以 探测到的 2 正地闪与负地闪联系 正地闪与负地闪联系 正地闪发展过程与负地闪类似下行负地闪的发展通常也以云内的预 击穿开始 然后是向下发展的先到过程与地面物体连接过程 回击过程 闪击间过程 连 续电流和 m 分量 3 双极性闪电 双极性闪电 云对地放电过程中 同时向大地释放了两种相反极性的电荷 4 上行负极性地闪模型 上行负极性地闪模型 下图给出了双极性放电可能形成的原因 上行先导进入雷暴云主负电荷区后分叉 当分叉 通道 B1 断裂后 其通道电导率逐渐减小 但电场强度方向但电场强度方向在短时间内保 持如上图 a 所示 不过 随着通道 B2 的持续稳定发展 在负极性反冲流光作用下 大量的 负电荷涌向分叉点 O 这可能引起已经消退的通道 B1 周围电场极性的反转 可能进一步形 成稳定传输的负先导并向正电荷区发展 因次 在 B2 通道向地面释放负电荷前后 B1 通 道可能将上部分正电荷向地面输送 从而形成上行双极性地闪 5 一次包含一次包含 5 次负地闪击和次负地闪击和 1 次正地闪击的双极性地闪 次正地闪击的双极性地闪 由上图可知 五次负地闪都具有不同的接地点 一个负先导从负电荷区附近触发 水平发 展一段距离后 向上进入正电荷区引发一次正地闪回击 从放电过程判断 正地闪回击的 发生可能是因为从负电荷区始发的负先导断裂后 由于负先导前端的正极性反冲流光的作 用 在断裂处形成新的正先导 并向地面发展产生正地闪 6 按照云闪过程按照云闪过程 K 变化的发生时刻划分云闪阶段变化的发生时刻划分云闪阶段 以 K 变化的出现为标志的对云闪进行划分比较合理 因为云闪起 始于双向先导击穿 沿相反方向传输 随后 正先导在负电荷区 传输时 产生负极性反冲流光 负先导在正电荷区发展 产生正 极性反冲流光 反冲流光速度比正 负先先导速度快 1 2 个量级 左右 由于反冲流光的快速发展 才产生类似地闪 回击 的云 间 K 变化过程 前期对应于双向先导的初始击穿发展 后期对应 于由于 K 变化而诱发的反冲流光的频繁发生 因此 以 K 变化的 出现为标志 对云闪进行阶段划分比较合理 7 一次正常极性的云内放点的辐射源定位结果 一次正常极性的云内放点的辐射源定位结果 这次闪电持续时间约 1s 放电呈双层结构特征 分别处于 9 11km 和 6 8km 对应与上不 正电荷区和下部负电荷区 通道近似呈垂直发展 负流光向上传输 进入上部正电荷区后 水平发展 产生很强的辐射 传输约 11km 后高度逐渐降低 而正先导在下部负电荷区传 输 引发的负极性反冲流光产生辐射 但辐射相对弱且弥散 不集中 表明通道分叉很多 约 250ms 后 上部负先导停止 而下部正先导引发的反冲流光极性增强 由图 b 颜色 对比看出 这种反冲流光基本沿原来正先导形成的通道返回始发位置 8 反极性云内放电 反极性云内放电 即发生在上负下正的电荷区域之间 负先导垂直向下发展建立通道 随后在下部正电荷区 水平发展并产生强烈的辐射 正先导在上部负电荷区发展 辐射较弱 正 负电荷区的辐 射交替变化 同时伴随明显的反冲流光 负极性反冲流光不仅存在于水平发展的正先导通 道 在垂直通道也存在 不断进入下部正电荷区 促进负先导的持续发展 9 袖珍云闪 袖珍云闪 云闪放电过程中有时产生孤立的双极性大脉冲或类似双极性大脉冲 脉冲宽度 约 10 30 s 这种大脉冲在 HF 至 VHF 频段具有强烈的电磁辐射 其强度有的比地闪或正常 的云闪都强 由于这种放电的空间尺度很小 通常为 300 1000m 称为 袖珍云闪 10 不同测站观测的一次袖珍云闪产生的同步电场变化 不同测站观测的一次袖珍云闪产生的同步电场变化 可以看出 远距离袖珍云闪具有明显的双极性 但近距离波形明显是静电场成分占优势 电场波形不是双极性 因此 袖珍云闪与双极性大脉冲之间不能划等号 袖珍云闪产生的 电场变化可能是双极性的 也可能是单极性的 这与观测距离有关 第五章第五章 人工引发雷电及其应用人工引发雷电及其应用 11 火箭拖线人工火箭拖线人工 传统触发 传统触发 向起电的雷暴云发射拖带接地金属导线的小火箭 上行闪电 空中触发 空中触发 火箭拖带的细金属导线与大地之间通过一定长度的绝缘尼龙线连接 下行先导 12 利用高速摄像系统拍摄的人工引发雷电上行正先导 利用高速摄像系统拍摄的人工引发雷电上行正先导 13 时间分辨率为时间分辨率为 3 3 s 的高速摄像拍摄的的高速摄像拍摄的下行箭式下行箭式 梯级先导梯级先导 随 着 先 导 接 近 地 面 速 度 从 2 7 106m s 增加到 3 4 106m s 如 左图 b 中的第 7 幅小图所示 在 负先导尖端出现两个明亮的先导 空中先导主要出现在负先导尖端 的正前方 偏移正前方超过 60 后不能发展 意味着偏离尖端越 大 电场越小 越难维持先导传输 14 人工引发雷电下行负先导和上行正先导的连接过程人工引发雷电下行负先导和上行正先导的连接过程 下行箭式先导的速度达 1 25 106m s 2 5 106m s 从局部放大图可以看出 下行箭式先导过 程不断产生分叉 但分叉发光暗淡很难持续发展 分叉通道长度可达 5m 属于温度较低 电流较小和电导率较差的流光阶段 连接先导长度为16m 下行先导和连接先导间隔12m 二者之间被流光 或称之为电晕 连接 在下行负箭式先导的头部可看到一个空间先导 所谓的最后一步可能与这个有关 15 一次人工引发雷电形成的第三次明显的连接过程一次人工引发雷电形成的第三次明显的连接过程 图为分别用两套光学相机拍摄的一次人工引发雷电的光学照片 这次雷电共有 5 次回击集中在离地面 4 5m 的引流杆上 箭式 梯 级先导距引流杆约 8m 高度处出现分叉 倾斜垂直方向约 40 与引流杆尖端引发的 3 个上行先导分别连接 形成两个环状 另 外 还有至少两个上行连接先导没有被连接 其发展方向近似垂 直地面 较长的一个距引流杆尖端 4m 16 回击电流波形参数定义 回击电流波形参数定义 具体定义如下 具体定义如下 峰值电流 峰值电流 Ip 回击电流波形上的电流峰值 回击电流持续时间 回击电流持续时间 从回击电流开始变化到电流降至背景值的时间间隔 10 90 上升时间 上升时间 t 10 回击电流波形中电流上升至 10 峰值与上升至 90 幅值的时间 间隔 10 90 波形陡度 波形陡度 s 10 回击电流波形中电流上升至 10 峰值与上升至 90 幅值的平均 陡度 30 90 上升时间 上升时间 t 30 回击电流波形中电流上升至 30 峰值与上升至 90 幅值的时间 间隔 30 90 波形陡度波形陡度 s 30 回击电流波形中电流上升至 10 峰值与上升至 90 幅值的平均 陡度 转移电荷量 转移电荷量 回击开始后 1ms 内转移电荷量 作用积分 作用积分 根据公式 2 对电流积分得到 积分的时间尺度为回击电流持续时间 17 0 2 0 d c 0 2