雷电与人工引雷.doc

第一章 导 论本章简述人类对雷电现象的认识、防雷技术的发展及人工引雷技术和有关研究方法。较详细的讨论在后面有关的章节展开。1.1 雷电现象的研究与重要发现闪电，俗称雷电，是自然大气中的超强、超长放电现象。对地闪电的峰值电流一般为几万安、亦可超过10万安。闪电放电一般长几公里，也可见到长数十公里，甚至有400公里长的云放电。闪电放电是一种瞬时放电过程。整个完整过程持续一般不到1秒钟。闪电放电的可见部分（云外）一般呈现多分叉的现象。闪电放电一般产自雷雨云（即雷暴、雷暴云或积雨云）。闪电还呈现明显的发光闪烁性。另外，闪电的出现时间与地点呈现出随机性。以上这些特征中的大部分早已为人类熟知。其中，雷电是放电这一点，是在约250年前人类初步认识了电的富兰克林时代开始确定的。对雷电的科学观测与一些发现主要集中在20世纪，而且与技术进展紧密相关。图1-1为对地闪电（见彩图插页），可见通道的向下分叉如根须状，明显亮的接地分枝即为地闪的主放电（回击）通道。图1-2是另一种地闪（见彩图插页）。它显示出一次地闪的多接地现象。统计说明一次多回击地闪中相邻击地点可相距达七八公里左右。而相邻闪电的击地点可相距十五六公里。这就是说，一听到雷声，那么，下一次雷击就有可能打到身上。图1-3是同一雷雨云的相邻两次对地闪电（见彩图插页）。云闪通道的走向偏水平方向，而地闪则偏垂直于地面。这些静止影像记录已存在一个多世纪，它所能提供的信息大致也就是存留于人们脑海中的情景，它使人类意识到雷电过程的复杂性。迄今，它们的一些细节仍然无法解释。但它们又是人类试图解释雷电过程的基础资料。摄影技术及感光材料的进步以及电测技术的发展深化了人类对雷电的认识。移动曝光技术的引入导致雷电发光的时延性，即发光在几何上有个发展过程，并确立了闪烁的过程：间断而重复发光，在间断时间长到人的视觉残留时间时，人开始感觉闪烁。20世纪初期，感光材料的改进及特种高速摄影机的发明（Boys，1926，1928，1929），以更高时间的分辨率的摄影揭示了对地闪电（云对地闪电，简称地闪或俗称落地雷）的发展过程，揭示了先导过程、连接过程与由地向云的回击过程（主放电过程）（有关定义与说明请参阅第三、四章）。进一步，还揭示了对地放电有好几种形式。有关这方面的工作，可参阅Schonland等在30年代的一系列文章。Schonland等（1934；1935；1938a，b，c）分析总结了在南非对闪电的观测结果，他们的工作使人们对地闪放电过程的认识有了突破性的进展。几十年来，在过程的描述上有不少进展。但是，迄今对于云中放电的起始和发展，对于长度超过几十米的一系列放电过程，对于接地的连接过程及对于回击过程发展的物理说明等等谜团，还有待研究的进一步开展去逐步展开。另一方面，Wilson（1916，1920）在英国对雷暴做的地面大气电场测量，第一次揭示了雷暴的偶极结构。人们开始把雷暴看成是一发电机。Wilson还提出，已观测到的地面电场是全球雷暴活动的结果。所谓全球电路（见第二章）构思即由此产生。在构成这一当今已为学术界所普遍接受的概念过程中，大量不同地理位置的电场测量（如有名的Carnegie资料，Sverdrup，1927）既启发了思路又提供了证据。由此，雷暴作为雷电的源，在几十年中吸引了许多研究人员的注意。研究焦点之一是起电机制，即通过什么样的过程产生了强烈的电荷分离。迄今，有许多起电机制被引入作为说明雷暴如何分电（起电），并可达足够的强度以产生闪电。但是，没有一种起电机制能够给出完全令人满意的答案。在20世纪70年代，关于起电机制的讨论高潮后（Moore，1974；Masn，1976；Moore，1976），已经使大家清楚地认识到：事实上，实际的起电是十分复杂的。目前，人类还没有能力系统地实地测量云中情况，室内实验还没有达到真实无误并全面地模拟云中实况。在这种情况下，虽然有一些工作在继续，在实质上却因为探测及模拟手段的缺乏，80年代以来并无大的进展。关于起电机制的真正突破还有待于测量方法的改善。目前，甚至对于云中电荷也只有一个大概的分布图像，其细微结构还不清楚，甚至我们不知道的电荷的主要荷载体是什么。主要的电荷是在水凝物上，还是以较小的离子形式存在？初始的放电是出自于某一极性电荷区，还是基本上发自于两种极性区？这都是目前尚无法明确回答的问题。近几十年地面观测的主要成果只是搞清楚了：在雷暴中，负电荷区存在于环境温度为-5 -15的区域中，而主要的正电荷散步于云中更高的区域。任何一种起电机制必须要能完善地说明这一点。如果云的垂直发展不够强，达不到相应的高度，那么，起电就很弱，一般不会有雷电活动（Krehbiel，1983）。 由于微电子技术和光电技术的发展，地面观测自70年代中期以来有了明显的改善。其结果是对云闪及地闪的辐射场有了比较好的总结（Uman et al，1970；Krider et al，1977，1979； Weidman and Krider，1979；Weidman et al，1981，1982； Uman，1985）。进而，有不少关于回击模型的工作（如，Lin et al，1980；Thottappillil et al，1991）。然而，这类反推闪电通道各种电流的时空分布，对大气的击穿，不同状态等离子体中的电现象，通道两端的复杂情况等，迄今仍难以描述。其主要进展是，回击可以大致地用陡波头的电流波沿回击通道的传播来描述。由于发现地闪回击典型波形的特点，自70年代末起，出现了磁定向的地闪定位仪系统（Krider，1980）。其中，又出现了工作在低频段的时差法的定位系统（如，Casper et al，1991）。经过近20年的发展，目前，这两种系统已合二为一地在几个国家形成了地闪的定位网。可以预见，作为一种记录天气现象的装备，将会改变目前用肉眼、耳朵和有限范围的记录造成的主观性、模糊性及局地性。在不久的将来，沿用多年的雷暴记录方式，包括雷暴起始、终止时间、雷暴日、雷暴小时及落雷密度等均将改变。由于记录已非常接近实时，这样，对于雷暴的监测与短时预报亦将起到不可替代的作用。国内，已有些分散的小型网络，采用国产的或进口的设备。目前的主要问题在于缺乏良好的管理及认真的开发。迄今，网络的实际指标没能真正确定，诸如定位精度、探测效率、强度精度及动态范围等均无完整的鉴定或测定。各类产品之间的实际差异也不太清楚。这种盲目性造成浪费，有些损失已难以挽回。所以，一个长期而严密的规划及一步一步的计划落实是十分必要的。地闪定位系统的不足之处是没法测定云闪，它提供二维的雷击点图形，没有放电发展过程的记录，没法适应气象、航空、航天及其他相关的研究和发展的需要。对用于天气监测与短时预报，也同样不能令人满意。80年代后期，按干涉法测定闪电集团可以判定放电走向的系统开始商业化（SAFIR），进而发展成有三维功能的系统（Richard et al，1985，1986）。这类系统有不少是自制的研究设施（Shao et al，1996； Ushil et al，1997； Dong et al，1999）。它们扩大了功能，非常适合于一些特别场合。工作在甚高频（米波段）的系统还有时差法的系统LDAR，在美国肯尼迪中心有良好的业绩（Lennon and Maier，1991； Maier et al，1995； Mazur et al，1997）。后者最近已有商业产品问世。卫星技术诞生后，闪电探测也随即变成星载探测的内容。目前开展的主要是光电探测。从70年代只能做星下点为黑夜时的探测，到目前已可有较高的二维分辨率与不分昼夜的全天候记录（Christian，1996）。航天飞机还揭示了雷暴向电离层的放电。静止卫星，由于分辨率及灵敏度问题，尚未利用其开发出雷电探测系统。雷电是云的副产品还是它的一个有机组成？近年来，有一些研究把雷电频数与对流降水强度联系在一起（Piepgrass et al，1982），或与其他气象参数相关（Lopez and Holle，1986； Cherna and Stansbury，1986； Baker et al，1995； Price and Rind，1992，1993）。也有个别研究认为强电场在云发展中会起重要作用。对于雷电活动与全球变化的关系亦有一些工作（Price et al，1993）。所有这些均为初步探索，并未能真正揭示出十分令人信服的物理因果关系，但提供了一些好的思路。本节提供了一些大致的进展情况，对雷电过程本身并没给予描述。事实上，这几十年来，由于社会的需要，也由于观测手段的改善，对于它的认识及描述已深入不少。我们将在第二、三及四章中予以详述。1.2 雷电现象与人类活动的密切关系1.2.1 雷害 我们以与人类最易接触的对地闪电为例。迄今，估计在大地上，每秒受到数十次的地闪。这是全球无时无刻不存在的约2000个雷暴活动的结果。除了一部分闪电打在无人、无人造物的旷野及海洋上外，还有一部分会对人和生物造成伤害，对各种建筑物、系统、部件或元件造成破坏。随着人类社会特别是经济的发展，雷电造成的危害亦有所变化。其总的趋势是面变得广了，并且向微电子器件方面倾斜，绝对损失也在增加。这也说明我们防雷技术的相对落后。在回击阶段，对地放电的峰值电流可达几万安，其瞬时功率可在1011 W以上。在一瞬间，它将在其通路上造成强加热效应，在通过的大气（即通道）中可使空气温度瞬间升到3万以上。能量以热能、机械能（包括冲击波、声波）及电磁能（包括光能）等方式散发出来。真正在地面消耗的仅是其中的一小部分。闪电在其回击通道及其贴近处产生强大的机械效应、加热效应，也产生可波及较远处的电磁效应。其造成的危害及对它的抵御构成了人类与雷电间的密切关系。自古以来，雷害主要是其电流通道造成的人畜伤亡及爆炸、起火引发的。关于人员的伤亡，国内没有公布过数据。根据美国近几十年的统计，雷击在美国每年造成约100余人死亡，另有约500人受伤。这类伤亡，以户外受雷击为主。国外的研究也说明，城市化使得户外受害率在下降。而在发达国家，没保护的户外活动主要是与体育或休闲活动有关。在一些地方，还与露天矿山作业有关。对发展中国家而言，农牧活动场所仍是户外雷害的主要区域。随着工业化，特别是，间接雷害，使破坏从点变成面而显得特别严重。如果，雷击通过合格的避雷（实为引雷）系统入地，就不再会造成任何直接破坏。如果没有避雷（引雷）系统，或者由于某种原因避雷（引雷）系统不完善，这就会因雷击的能量耗散在不设防的地方而造成破坏。例如，1985年7月25日晚7时15分，雷击使上海市造纸工业公司北蔡仓库纸料堆垛着火，直接损失60万元；1994年4月7日晚，上海市效青浦县商榻沙田湖的商榻针织厂遭雷击，使针织成品、缝纫机及半成品烧毁并因高温导致500多平方米的厂房倒塌，直接损失300余万元；1997年5月28日午夜，一次雷击使广东省开平市中源制衣厂起火，使总价110万元的成衣、布料及缝纫机化为灰烬；1998年8月22日21时，湖北省南漳县化建公司所属炸药库被雷击引爆，22.5T铵锑炸药、146.5km导火索和近万枚雷管被炸毁，伤亡97人，倒塌房屋337间，直接经济损失800万元。这类雷害，是雷击通道的放电引燃了易燃为有间隙的不完善而无意形成的引雷系统的一部分。一旦遭雷，必然产生火花。1992年6月22日晚8时04分，雷击使国家气象中心计算机相连网中断，国际通信用调制解调器被击坏，一些终端及数传端口损坏，导致部分工作中断达46小时左右；1993年4月21日及1997年8月6日上海奥林匹克俱乐部两次遭雷害均造成计算机网络停止工作，程控电话自动记费系统传输中断，其中一次在中断了20多个小时后才恢复工作。上述这类设备受雷击损坏已日趋严重，其特点是不一定有外貌上明显的破损，但可瞬间击毁对电磁十分敏感的微电子元件，其间接损失涉及面广，往往比直接损失大几倍甚至几十倍。比较特殊而有出乎意料后果的是在1977年7月13日，纽约的电力系统因雷击，导致一些地区停电超过27小时。而其最严重的后果是晚上一些地区因无电而漆黑一团，歹徒却趁机四出抢劫商店。另外，由于雷电来自空中，人类在空中的活动也要受它的影响。航空器的防雷迄今还是以躲避为主。由于对雷电认识的不足，在航天历史上发生过一些严重事故。例如，1969年美国登月计划的Apollo-11发射不到1分钟，即遭雷击2次，导致自动驾驶系统失灵，一些传感器停止工作。是宇航员的果断迅速正确地手动操作挽救了这次发射，不然，后果是灾难性的。在1987年的一次美国海军卫星发射中，雷击导致升空火箭，损失达1.6亿美元（Christian et al，1988；Perala et al，1988）。飞机也时有受雷击的记录。图1-4即是一飞机头部受损的图片。偶尔，也有机毁人亡的记录（图1-5）。这是一架Boeing 707坠毁后机翼的一个雷击洞。报纸亦曾有报道：1988年9月9日一架客机在曼谷廊曼机场附近遭雷击坠毁；1997年10月10日阿根廷一架客机也因雷击而坠毁。看来，雷害已发展成为三维空间的现象。另外，雷击引起的森林火灾导致的损失有时会是极严重的。它的特点是可在无人区或人难以到达的地区起燃，并无阻碍地发展成为难以扑救的大火。 在美国，雷害的直接年损约为20亿美元，我国尚无公布的数字，估计不下20亿人民币。 雷电有着自己的特点。它带有半随机性、局域性、分散性、突发性、瞬时性及三维性。这些鲜明的特点，一方面使对它的深入了解有难度，另一方面也较难引起全社会的关注。毕竟，十余年前的黄岛油库雷击燃爆事故，所导致的重大损失与惨状是十分罕见的。 有些雷害是因人们的疏忽及无知造成的。因为，雷害对某一点而言，概率极低，往往是百年一遇或更少，大多数人往往不在意，加上有些人不求甚解，这就有了隐患。前述上海商榻针织厂车间被毁就是一例。黄岛油库的雷击可属这一范围。有人把在强电磁脉冲或电压作用下将产生小火花，会引爆充满燃油蒸气的可能性和基本概念给忽视了，终于而必须地酿成大祸。当然，雷击发生在黄岛可能带一点偶然性，但它可以发生在用类似技术的其他地方。逐步深入了解雷电过程，认识它并由此开发各种防御的技术是一条应遵循的准则。1.2.2 其他 雷电发生在大气中，又时常接地，但它和大气及地球发生的相互作用不仅是一种破坏关系。 从进化史看，雷电的出现早于人类，甚至早于动物，并且与首次产生氨基酸有关，而可能是生物进化中不可缺少一环。闪电可能是人类第一个火种的源泉。 人们很久以来就了解闪电放电有固氮作用，使大气中的氮变成氮氧化物，成为植物包括农作物生长可吸收的化合物。Erhalt et al， (1992)，Goldebaum et al (1993)，Biazar et al (1995)，Ridley et al (1996)，Price et al(1997a，b)及Nesbitt et al(1999)均有有关闪电产生氮氧化物及数量估计和其相关研究的工作。一般认为，闪电产生的氮肥可能只占全球实际消耗的少部分。不过，还尚无定论。 闪电导致臭氧的产生，在一定程度上，有利于人类。 闪电引燃林火，只要不过度，也会对森林生态平衡起到良好的调节作用，它抑制一种植物的过度生长，又保持土壤的肥力。 闪电是全球电路中不可缺少的一环。闪电也是对流大气与中、高层大气之间相联系的重要一环。在日地关系中，闪电也扮演着重要角色。一直到现在为止，利用闪电产生的哨声（whistler）仍是研究电离层与磁层特征的重要方法。因此，至少不能盲目地去考虑消灭雷电。那么，人类目前有没有能力去消灭它呢？对这个问题的思索与实践也有好多年了。最典型的是用飞机在云的适当部位播撒大量导电细丝，促进云内电晕放电，增加云中漏电使得云地闪发展不起来。但其消雷效果并不令人鼓舞。那么，从地面消雷可行吗？在第九章中，对自然存在大气中的电过程进行的分析，将使我们看到用大面积弱放电来消除雷电并不现实。还是立足于综合考虑雷击造成的电磁环境，改善现有避（引）雷系统的引雷性能更为实际。不经过对雷电过程的深入认识就幻想可对防雷技术有所突破，其结果只能是浪费社会财富及时间，而且缺乏安全性。在没有发现新的放电过程时，自行提出某种消雷方法，想走捷径，不仅会是徒劳的而且是一种反科学的做法。尽管闪电的随机性和强度多变性会使鉴别变得十分困难与耗时，但时间会是公正而无情的，一些糊涂看法和不科学的技术只能存在于一时。利用本书提供的人类对雷电物理过程的认识，会有助于判别某种方法或技术的有效性，从而减少许多不必要的浪费与时耗，也会提供一条正确的思路，去寻求新的方法。1.3 基本研究方法 总体讲，对雷电的研究与对其他物理现象的研究有共通之处。即，直接用各种方法测量其有关的物理量及其变化、在室内物理模拟其过程并加以测量、对测量结果进行分析、根据已知的放电过程分析雷电或做相应的数值试验。雷电既带破坏性又带随机性，因而，雷电的人工引发也是一种相当重要的研究手段。另一方面，事故后的雷害分析、统计也是十分重要且应是不可缺少的手段。它可使隐藏的物理本质突现出来。 由于雷电是一种放电现象，其放电通道内部的情况难以直接测量。人们主要是领先雷电发射光谱及其变化来推测。放电引起发热发光。用光学方法测定发光的时空几何变化可用于推测放电的发展，包括其中的电离情况。摄影（包括高速摄影）、摄影是研究雷电过程的重要工具另一方面，高速光电记录又可作为辐射光强的测量并用作推测放电剧烈程度的一种有效手段。这是因为它可以提供更高速度的记录。 放电本身又是一个电磁过程，最终是电荷的转移和中和，但其间有很多变化。就目前所测到的情况看，一次测量可维持1秒左右，并且应该能够反映几十纳秒中发生的变化。如果要测量全过程的电流，其最困难的是传感器要处于通道上，而且要能测到几万安以致几十万安的电流且动态范围要相当大。人类真正能测到自然直击雷电流的数目极为有限，其中相当一部分还是在人工高构筑物上测到的，很大部分是用磁钢棒测得的，很难满足现代技术和研究的要求。电磁辐射场（即所谓的雷电磁脉冲，LEMP）也是研究兴趣所在，因为它比较容易测定，由它也可适当地推测雷电过程的情况，同时，又是产生间接雷害的重要部分。几十年来，实际用在雷电研究上的主要是测定雷电的辐射电磁场。开始时，由于技术原因，把测快速变化与测慢速分开，近年来由于高速大动态范围及大容量存贮技术的时展，已可满足上述需要。 为了弥补单点测量推测通道过程上的不足，往往采用多点同步观测。由于GPS全球定位系统的普及，测量所要求的精度也已基本满足。但问题仍然是必须用一些理想化的简化的假定去推测放电过程。云中电参量的测量，包括遥感方法均无突破。 对于雷电过程的另一种研究方法，是通过高电压实验室做物理模拟试验。它的优点是可以做大量的放电试验，而且测量记录比较容易。它的缺点是物理模拟的相似性迄今没能很好解决，在诸如背景场、变化场、源参数及几何尺寸等的模拟上均存在一些没解决的问题。因此，尚无法用高电压实验室的结果来准确地描述雷电这样一种放电长度超过几十米的过程。但是，作为参考，目前工程试验中的使用仍很普遍。 自然雷电的近距离捕捉十分困难，而高电压实验室的实验又有上述致命缺陷，自70年代发展起来的陆地人工引雷技术（Fieux et al，1975）开辟了一个途径，并一直被用于研究雷电过程。 然而，人们很快就发现人工引雷也存在一些不足。首先，它所引发的闪电往往是不成熟的闪电，一般要弱一些；其次，目前居多的引发过程是先有上行流光，这正好与一般的相反。因此，往往测不到通常的首次回击过程。人工引雷需要自然雷暴（强电场）的外部条件，因此，它又远不如高电压实验室试验那样可得到频繁的放电。迄今，全世界成功的引雷仅为数百次。 人工引雷常常还被用在确定雷害上，用以鉴定各种设备及致系统的抗雷能力及防雷装置的性能等等。 目前，人们认为人工引雷是在成熟雷暴条件下，在自然雷要发生的前一瞬，或者是尚没完全成熟的可发生自然雷时，靠人工的办法产生的一次放电。 所有这些观测可以给出关于雷电的许多统计特征，总体上有利于对它认识的深化并也有助于改善对它的防护。但是，由于难以系统地对通道内部作观测和难以对通道周围的状况作微观的观测，人们还并不真正地了解雷电的起始、传播、连接、接地及回击电流等的时空变化及放电产生宽频带电磁场发射的机理。 人们曾经用各种观测与实验数据去推测雷电过程，但只获得部分的成功。故上述方面还有相当部分停留在猜测阶段。迄令，所有发表过的一些模式都没法完善地说明整个放电过程，特别是其细节。 1.4 人工引雷（人工触发闪电） 上面已提到过人工引雷工作，其后章节中也将有较详细的叙述。在这里简述其历史和现况。早期的人工引雷电可追溯到富兰克林的年代，但多种尝试没取得过成功。近代美国Brook et al (1961)的工作也没成功。他们试图用气球提升长几公里的导线到雷雨云中并没得到预期的成功。而实验室中的实验显示，如果快速引入导体，则可在一定背景场中引发放电。由此他们推论：必须使用快速运动的导体，目的是突破其产生电场畸变后形成的电晕放电的抑制、屏蔽性后果。事实上，畸变了的电场产生电晕放电后形成空间电荷又导致电场减弱，或者说放电有个自抑制功能。如果设法使导致电场畸变、增长的导体快速运动并脱离空间电荷的包围，这就有可能使放电自持而发展成雷电。由此美国Newman et al (1967) 完成了人类首次人工引雷。他采用的是火箭拖导线的方法实现的，试验是在船上进行的。继而法国Hubert等（Fieux等，1975）完成了陆上试验，并逐步改善引雷技术。其后，中国、日本在学习法国的基础上也开展并逐渐改善了技术。美国现在进行较系统的人工引雷也是在这基础上开展的。所有以上成功的引雷均采用特制牵引导线的小火箭方式。 在思考人工引雷技术时，还曾有过好几种方案。例如：从水下爆炸偶而引发雷电的现象中，人们曾提出用高压水柱的方式，但是迄今没有获得成功；从火箭上升过程中曾引发雷电得到启发，有人也在试验（Watanale et al, 1996）用火焰引发雷电。另外，试用激光束引雷曾吸引了不少人的注意（Wang et al, 1994, 1995），但是迄今均无可靠成功的报道（见第八章）。 目前唯一采用的技术是用一枚特制小火箭拖带导线升空。火箭的速度过快会拉断导线，而速度过低又难以引发雷电。经验证明并不是导线拉得高就一定会成功引发雷电。事实上，一般超过六七百米高后很少有成功的例子。因此，该特制火箭要求达到一定速度，但不要求过高的高度。 目前还应用了一种新方法：把绕有导线的轴放在火箭上，可以使导线不易拉断，同时又可使导线的下端通过一段绝缘线而远离地面（如100m）。后者的优点是可以研究接地点的一些特征及有可能产生起始的向下流光，使引雷比较更接近自然放电过程。 火箭的人工引雷还要解决安全问题。现采用的方法有如下几种：一种是用降落伞吊住火箭残留物，使降落速度达到安全程序；另一种是采用轻质合成材料的外壳，在火箭燃料燃烧完后，本身飘落速度不高或令其炸成更轻飘的碎片；再一种是采用可燃外壳，在空中烧掉火箭残留物。 对于机动性也有相当的要求。由于引雷机遇不好掌握，但往往一次雷暴过程会有多次机会，能够连续发射火箭是较理想的。如果能方便地移动发射设备，无疑将增加成功的机遇。在这里又有个安全问题。目前引发火箭一般均采用电控。在雷暴备件下，要采取专门措施预防不必要的被雷电本身激发的火箭发射。事实上已有过几次成灾的后果。在美国还曾因此发生伤人的事故，导致肯尼迪空间发射中心人工引雷试验终止。 30年左右的火箭引雷实践，经过了初期的力图获得成功阶段、提高成功率阶段、观测通道特征及用于测试一些设施系统的阶段。同时，在力图接近自然雷电上开展了不少工作。但是，成功率问题一直没能满意地解决。究其原因是与地面引雷所处电环境有密切关系的。因为人们一般是从对云的雷达观测及地面电场观测来推测空中情况的。然而，雷达资料最多给出云中水成物的大致情况及气流的情况。另外，由于地表近地层在雷暴电场作用下已有相当的空间电荷笼罩，地表的测量难以推测空中的电状况。我们还得注意到即使有空间场，也只是了解了宏观的情况和可能的必须条件。郄秀书等（1996a，1996b，1998）做过一些数值工作，力图解决从地面电场变化来推测空中场。 人工引雷的原始目的是想深入了解雷电的物理过程。由于对地绝缘的非经典引雷资料尚少，目前主要的资料是有关放电强度及速度的资料。进一步的认识还有待积累。对于雷电的破坏作用有了一些试验，其中包括对地面设备、空中飞行物。这些都对防雷技术的发展有推动作用。 另一方面，既然雷是雷暴的产物，那么它也有可能对雷暴有反作用。有少量研究工作涉及人工引雷对人工影响局部天气的作用（张义军等1995，1998）。如果人工引雷技术能进一步完善，它显然可以成为一种适应特殊需要的防雷手段。 对于雷电的化学作用或生化作用，用人工引雷是一种较好的研究手段，刘新中等（1993）及何丽霞等（1998）有过初步的工作。当然，现在的结果离所期望的结论尚有相当距离。1.5 防雷 自200多年前富兰克林发明避雷（实为引雷）针（Lightning conductor）以来，对于建、构筑物的防雷均是基于这思想上的优化改进。即用更经济有效的方式引雷，从而改善防雷性能。引雷针系统不能百分之百可靠，其原因是雷电空间上的随机性、在强度上的可变范围很大以及空间电荷情况较为复杂；同时，我们还没彻底了解接地过程。而且，即使引雷入地，其邻近处仍存在危险，因引雷产生在空间的电磁效应也可能造成破坏。由于这种不完善，从而导致各式“消雷器”、特种避雷针、非常规、非标准或高效避雷针应运而生。然而，我们认为，它们的“原理”均不符合基本物理过程，除非有新物理过程真正被揭示，或者已有基本认识有错，不然这类努力最终将是徒劳而被淘汰。 由于电引入人类社会，雷害开始明显的渗入社会。首先是电力系统及设备，进而是通信系统并逐步涉及差不多整个产业系统，目前已广泛渗入城镇家庭。各种抵御、降低雷害的非线性元件及有关组件的出现及应用是20世纪防雷的一个明显进展。它们的应用大大地改善了有关系统及设备的运行安全度，形成了防雷上的主要亮点。 雷害并没有消失，一些问题长期无法彻底解决，人们对雷电现象了解的逃走也就一直维持在一定水平上。同时，在这种情况下，各种力图改善防雷效果的产品出现也就不足为奇了。由于，对任何一点而言，重复受雷击的概率极低，或者说雷击是一个极小概率事件；自然雷的强弱差异又很大；另外，新型装备往往是和引雷针系统有意或无意地联用；这就很难在短期内从实际使用中判定一些防雷产品的性能。利用包括雷放电物理过程在内的一些已有认识会有助于判断。第九章中作为个例，我们将初步分析，评论一些防雷产品的可能性能。1.6 发展展望人类用比较现代的手段去科学、定量地研究雷电已有一个世纪了。但是，对雷电的认识尚有许多难解之谜，这在前面已提到过。要逐步解决这些问题的关键是创造新手段，改善观测的时、空尺度及强度动态范围，加快系统资料（包括新资料）积累的速度。 了解雷电过程从空间讲，需了解云中、云下及接地处附近的情况。从时间上讲，要了解起始、发展、传播、接地、回击过程及其后的过程。从难度主讲，弱的过程和较高处的现象难以测得，而十分强的过程又难以抵挡并测量。另外，细微结构或过程一般比较难探测。看来这方面的进程不会很快（特别是对云内过程的了解）。估计21世纪的后半期有可能全面突破。 在技术上，更快、更灵敏、存贮容量更大的元器件发展很快。主要问题仍在于雷电的半随机性，使得获得有代表性的系统资料十分困难。增加这类部件的投入量，会大大缓解随机性带来的困难，从而有效地增加一些关键资料的获取。 可以预期，随着科学技术的发展，人们使用静止卫星及高灵敏传感器进行全球雷电监测的日子不会太远。它会在与闪电现象有关的方面（如大气化学、全球变化、日地关系、雷电气候学等）引起突破性进展，并且大大推动雷电预测、预报、预警的技术改进及对起电过程的认识。对于上行先导及接地过程本身和环境情况的了解，也会随着人工引雷技术的改善而在近期内有比较明显的进展。雷击点的记录将大大增加，云闪的记录也会大量积累。全面代替传统雷电活动记录的日子不会太远。届时，工程界也会有更科学的设计基础资料，使设计更科学，并产生巨大的效益。由于计时精度可再进一步提高，将改善对回击过程的认识。各个过程的电流的时空分布将会被描述得更清楚，特别是回击的起始阶段近期就有可能搞清楚。 由于电、磁场遥测上的困难，可以预期对空中及云中情况的了解，近期仍以推测性为主。虽然，探空会明显增加。但难在近期有真正的突破。雷电的室内试验会有长足的进步。第一，因为超高压输电的发展并不能自然地克服雷害从而会推动工程界的关注，使人工高压放电技术会得到改进；第二，对雷电的模拟，包括其背景场的模拟将逐步得到改善，得到公认的试验也会随之增加，从而获得有价值的结果。 人工引雷在技术上改进的潜力还有很大余地。常规的火箭拖线技术的进一步改进将使引雷与自然雷电更为接近。另外，某些更安全及灵活的引雷技术有望获得突破。这就使得人工引雷技术在社会生活中的作用日益受到重视，并产生明显的社会经济效应。 综合地看，近期将会在三个方面取得明显进展。一是雷电记录的实时、客观化；二是对其物理过程特别是近地过程认识的深化，也有希望对空中的先导过程的物理本质有突破性的进展；三是可能导致新的防雷原理或技术的出现。另外，对于雷电与天气的关系、人工影响雷电、雷电与其他过程（例如与生物过程）的关系的研究会有较大进展。显然，探测技术的改进，使我们深信在21世纪雷电研究的进展一定会明显快于20世纪。第二章 雷暴及其起电雷暴云是闪电的主要产生源，按照Winn et al (1974)的探空结果，当云中局部电场超过约400 kV/m时，就能发生闪电放电。因此，在讨论闪电之前，本章将简要概述雷暴的发展及其电荷结构，并阐述雷雨云起电机制的一些基本概念和相关的现象。有关细节可参阅下面提到的一些专著或文献。 2.1 雷暴的形成 典型的雷暴云是具有强烈上升气流和下沉气流的（积雨）云。这种云垂直伸展较高，如高耸陡山，顶部可呈砧或鬃状；底部较暗，时有悬球状结构。单个积雨云的主体水平尺度在几公里到20公里左右。雷暴云的发展与热气团在不稳定环境中的对流抬升有关。例如，当地表被太阳加热时，部分能量将转移给低层大气并加热地表附近的空气。被加热后的低层暖湿空气密度减小，在不稳定的垂直大气中逐步上升。由于气压随高度降低，因而空气在上升过程中不断膨胀，并将内部的热能转化为势能，从而导致温度下降。如果气团继续上升，冷却的结果将使水汽凝结到漂浮在空气中的固态凝结核上，由此形成了气团内部杂乱无章的小水滴，这就是“云”。由于这种云由液态水滴组成，称为暖云。空气上升后，云四周较稠密的干冷空气将下沉，从而形成了以环型的上升气流和下沉气流为特征的对流单位体（见图2-1）。上升气团的垂直渗透高度受大气稳定度、周围空气混合后的稀释度以及摩擦力三个因素的制约。如果对流能够继续进行，则将发展成为几公里厚的旺盛积雨云，并可以大于10 m/s的垂直速度上升。在气流上升过程中，由于各种原因导致水滴增长，所形成的水滴可分为两种类型：一是半径为10100 m的小水滴（云滴），它保持悬浮状态，并随气流而上升；另一种是雨滴，它的尺寸较大，并具有等于或大于上升气流（510 m/s）的相对下降速度。这些雨滴的半径为0.11 mm，有的甚至可达4 mm。每千克空气中一般有0.11 g的液态水含量。具有强大上升气流而且发展旺盛的积状云云体和云高不停地增长，直到它们遇到大气中的热稳定层才终止。稳定的平流层常限制了大多数雷暴发展的最终高度。当上升云体遇到稳定层时，其垂直运动往往要发生偏转，并将失去积状云的外貌，而呈现为环型扁平状云顶。在云中的负温区，大气中另一种冰核开始起作用。水汽在其上凝华或过冷水滴在其上冻结形成冰晶，进而开始了固体的增长过程。没有凝结核和冰核的作用，就不能实现水的相变，在对流层也就不可能形成云。由于云顶温度可达到-50，许多降水粒子将变成雪晶的形式。这些晶体从较高的冷区降落到低层暖区的过程中，形状及大小将有所改变，例如它们可以聚集成直径达3 cm大的雪片；如果它们通过相对较暖的云区降落，遇到过冷却的云滴，雪晶可捕获云滴并使其冻结在雪晶的表面上（结凇）。结凇严重的雪晶叫做霰（小冰粒子）。 在云中的0高度层以下，冻结粒子开始融化，并降到地面成为雨。假如降落中的雨滴遇到更冷的空气（例如从逆温层降落），它们达到地面时可以成为小冰粒。云中温度高于零度或在负温区只有过冷水滴的云被称为暖云或过冷云；包含固、液两态的云叫做混合云。 一般情况下，雷暴的发展要经过初始发展、成熟和消散三个发展阶段。在初始发展阶段即上述的积云阶段，积云内部为上升气流，且降水开始发生。当上升气流上升到某一高度时，积云不再上浮，这个高度通常在对流层顶附近，大约为1015 km，这时候雷暴单体达到它的成熟阶段。在这一阶段，被聚集的雨水迅速降落到地面，形成阵雨，并拌随着一股冷的下沉气流。在下沉气流中，雨在云底下方被蒸发而连续冷却，此时的空气比原先上升时的空气更冷。由于单体的上升气流靠暖湿空气而支持，而下沉气流将阻止上升气流的发展，因此雷暴云单体最终将因为这些下沉气流切断了暖湿空气的供应而进入消散阶段。同时，这股冷气流能抬升邻近周围的湿润空气，因而可能触发新的单体形成。这个过程可以重复几次，整个雷暴的寿命可持续12个小时（Brooks，1925；Magono，1980）。在这时段内雷暴按所在高度层的高空风向移动1632 km。 与这三个发展阶段相应的地面天气情况也各不相同。在开始的发展阶段，暖湿气流缓慢地辐合；在成熟阶段降水造成的冷空气下冲形成一条微尺度冷锋，在下沉空气的前沿线上，气温和风发生突然的改变；在消亡阶段，下沉气流的冷堆消散，风也减弱。除了由大尺度锋系（这种锋系一般在常规天气图上可以分析）引起的雷暴以外，地面的情况又逐渐回到雷暴发展前的样子。 通常，人们把水平尺度在25250 km范围内的上述天气现象和天气系统称为中尺度对流系统（MCS），它介于大尺度（2502500 km）和小尺度（2.525 km）系统之间，特指强风暴等有组织的雷暴或对流系统。强风暴系统常常带来严重的灾害、雷暴、暴雨、大风、龙卷风、冰雹等都与这种系统有关。尤其是在中纬度地区，许多强烈的天气常常是由组织的强对流系统造成的。例如，在热带和亚热带地区年降水量的很大部分是由对流性暴雨造成的。在有些地区，强对流系统甚至是引起最严重灾害的天气现象，如美国中西部在强对流系统中发生的龙卷风是最严重的天气灾害。因而，对强对流系统的研究在灾害性天气的研究中占有很重要的地位。 根据气象观测和卫星资料的统计，每一时刻全球大约发生2000个雷暴。雷暴云的尺度变化很大，小的出现在亚热带区，云中温度可能处处高于0，例如典型的暖云。强雹暴的垂直高度可达海拔20 km。尽管雷暴云的高度随地理位置的不同有较大的差异，但一般认为在海拔812 km之间。 在典型的雷雨云中，由于有重力场和温度梯度，同时还存在大量的云滴和冰晶等云粒子，它们之间的相互作用，可通过一种或多种起电机制，使得雷暴云内发生电荷分离。一般来讲，雷暴云的上部带正电荷，下部则带负电荷。因而雷暴的电荷结构是典型的电偶极子，偶极子的带电区直径为几公里量级。除了这两个主电荷区外，在雷暴云的底部还可有一个小的正电荷区。对于夏季雷暴，主正电荷区的海拔高度一般为1016km，而负电荷区的海拔高度为610 km。2.2 雷暴云中的电荷结构 对雷暴云内的电荷结构研究一直是大气电学研究的重要内容，雷暴云内的实际观测、实验室模拟和数值模式研究是三个相互补充的重要研究手段。本节将集中介绍雷暴云中电荷结构的实际探测。 雷暴云电荷结构的实际探测一般采用三种方式：利用闪电电场变化的多站地面观测来拟合闪电源的位置，从而来推断云中与闪电放电有关的云电荷分布（Jacobson and Krider, 1976；Krehbiel et al, 1979；Brook et al, 1982; Reynolds and Neil, 1985；Maier and Krider, 1986；Krider, 1989；Koshak and Krider, 1989；Murphy et al, 1996；郄秀书等，1998）。火箭或气球携带电场仪穿云观测（Winnet al, 1974;Byrne et al, 1983；Marshall and Rust, 1991；Marshall et al, 1995a,b；Weber et al, 1982），利用在云内测量到的电场变化，通过高斯定理来估计云中的电荷结构。飞机穿云观测（Kasemir and Perkins, 1978；Imyanitov et al, 1972；Fitzgerald, 1976；Raymond, 1991；Mo et al, 1998）。第一种方法实际上首先假定闪电所中和的电荷源呈简单的球对称分布，然后再利用非线性最小二乘法对闪电所中和的电荷源位置和电荷量进行拟合，通过对大量闪电的拟合结果来推断云中的电荷分布。这种方法虽然有一定的近似性，但是随着闪电数量的增多，其结果会接近真实。图2-2是利用多站同步观测通过拟合闪电放电源的位置而得到的美国Florida, New Mexico夏季雷暴和日本冬季雷暴电荷分布经典模式（Krehbiel et al, 1979；Brook et al, 1982；Krider, 1989）。不难看出，云中的电荷结构呈典型的偶极电荷分布。事实上，利用这种方法得到的只是与闪电放电有关的云内电荷分布，在实际的雷暴云中，其电荷结构远比上述简化的偶极电荷模式复杂得多。除了雷暴的主正、负电荷区和底部的小正电荷区外，电荷结构可能会发生倾斜，也可能呈现多偶极形式，而且，不同地区的雷暴特征也不完全一样。比如Rust等（1992）利用电场探空发现在美国的Oklahoma中尺度对流系统（MCS）中有三个以上的主电荷区；中国内陆高原地区的雷暴云底部，正电荷区的电荷量和分布范围，都较常规偶极电荷结构雷暴内的小电荷区要大得多（王才伟等，1987；刘欣生等，1987）；另外，云内的电场探空（Winn et al, 1981；Byrne et al, 1983）还进一步发现负电荷区所对应的温度层为-5 -15，厚度为公里量级。负电荷区所在的温度层基本上不随雷暴的发展而变化。负电荷层所对应温度层的稳定性表明了一般雷暴云起电的温度层在0以下或-10左右，而在0以上的温度层基本不直接参与起电。Stolzenburg et al(1998a, b, c)曾经利用气球携带的电场仪和无线探空设备对15次中尺度对流系统（上升气流内部10次、外部5次）和13次孤立雷暴（上升气流内部7次、外部6次）进行了电场探空，并结合过去的电场探空观测，利用高斯定理对两种对流系统中的电荷结构进行了推算。图2-3给出了其中一次中尺度对流系统上升气流内部的基本电场分布和由电场分布推算出的一维电荷分布。电场结构中的3个特征点，和分别代表较低高度的正峰值、负峰值和较高高度的正峰值；5次闪电对应的电场变化分别以L来标志。一维的电荷分布由高斯定律近似得到。4个电荷中心对应的平均电荷密度p和深度z分别表示在图中。图2-4给出了其中一次中尺度对流系统上升气流外部的基本电场分布和由电场分布推算出的一维电荷分布。无上升气流区有5个峰值电场特征点，分别以，和标出。由高斯定律近似得到一维电荷分示于图（b）中，6个电荷中心中上部的正电荷区包含平均电荷p相似的3个区域，区域之间的电荷密度为零。可以看出在上升气流区域内、外的电荷结构有明显的差别。在上升气流内部包含4个电荷区域，呈现上负正负正的电荷结构，而上升气流外部包含6个电荷区域，呈现上负上正主负主正下负下正的电荷结构。在上升气流外部探测到的正、负最大电场均大于上升气流内部，而且高度较低。除了上部的正电荷区域外，上升气流外部的电荷区域深度较浅，而且电荷密度较大。上升气流外部的主电荷区域高度较低而且温度较度，分别为5.5 km和6.2。 图2-5是根据他们进行的15次探空和Byrne et al(1983)的一次探空得到的每次中尺度对流系统的电荷分布图示。 图2-6是Stolzenburg et al(1998b)根据13次孤立超级单体雷暴的电场探空得到的电荷分布示意图。7次上升气流内部的电场探空发现电场共有3个峰值，另外在8km处还有一个正峰值。由此推算在上升气流内部有4个电荷区域。在上升气流外部的电场结构和电荷结构较复杂。与在中尺度对流系统中的探测结果一样，在上升气流区内、外部的电荷结构有明显的差别。2.3 雷暴云产生的电场以及近地面电晕离子的影响 雷暴云在地面产生的电场一直是用来衡量雷暴强弱的一个重要参量。通常雷暴可在地面产生几kV/m的电场，而在自然尖端如灌木、草丛等各种接地的突出尖端上的电场将比环境电场大几十乃至几百倍。当环境地面电场超过一定的阈值，一般为几kV/m时，自然尖端上便发生电晕放电，从而向空间释放离子，形成厚达几百米的空间电荷屏蔽层并影响地面电场（Winn and Byerley III, 1975; Standler and Winn, 1979; Winn et al, 1983）。Kasemir(1978)实际测量发现陆面上自然尖端产生电晕放电的临界电场值只有780V/m，Standler和Winn（1979）的测量值为5 kV/m。空间电荷屏蔽层的形成，对地面电场形成强烈的屏蔽作用，两次闪电间地面电场一般不会超过10 kV/m，而同时的空中电场可能比地面电场大几倍到十几倍。因此地面电场实际上并不能真实反映雷暴本身的电状况。 Chauzy et al（1991）曾经利用系留气球携带的5个电场仪对雷暴云下的电场进行了低空探测，探空包括了800 m，600 m，440 m，80 m以及地面5个高度。探空电场仪的工作原理与传统的场磨式地