雷电的形成特点、阶段与分类

1、雷电的形成特点、阶段与分类雷电的形成：雷电是雷雨云之间或在云地之间产生的放电现象，雷雨云是产生雷电的先决条件。雷雨云是对流云发展的成熟阶段，它往往是从积云发展起来的。发展完整的对流云，其生命史可以分为以下三个阶段： 形成阶段 成熟阶段 消散阶段 形成雷（雨）云的三个条件：（3）大气对流。（2）太阳照射，水蒸气上升凝结成小水滴；（1）空气中必须含有充分的水蒸气；形成阶段 成熟阶段 消散阶段形成阶段从淡积云发展为浓积云，1015min云中都是上升气流，云底为辐合上升运动，上升速度初期一般不超过5m/s，浓积云阶段可达1520m/s云中电荷正在集中，但并未发生闪电，也无降水成熟阶段浓积云发展到积雨云

2、，1530min，云中为上升气流，云顶发展很高云顶出现冰晶结构，上升速度增加，雨滴出现，产生降水，出现下沉气流-20高度以上，云中以冰晶雪晶为主， 以下冰晶与过冷水滴共存(出现雷电）对大多数雷暴云中，正电荷位于云上部，负电荷位于下部消散阶段上升气流减弱雷雨减弱并逐渐消失，云中已为有规则的下沉气流所控制。 云体瓦解，云上部很快演变成中、高云系，云底有时还有一些碎积云或碎层云。下沉气流使云下部的负电荷外移，使云上部的正电荷现露出来。2. 2雷云的结构根据雷雨云电荷分布模型，宏观上分为三个电荷集中区。通常雷暴云上部荷正电荷，下部荷负电荷，云底荷少量正电荷。（云层带正电荷区对地放电称为正极性闪电，云层

3、带负电荷对地放电称为负极性闪电。正极性闪电时正电荷由云到地，为正值，负极性闪电时负电荷由云到地，故为负值。）雷雨下部虽带正电，但电荷量较少，所以，雷雨云绝大部分整体对地还是显示为负电荷区。 2. 2雷云的结构2. 2雷云的结构部分统计特性多数雷电放电发生在云内，少数发生在雷云与大地之间；90左右的雷是负极性闪击。2. 3雷云起电机制关于积雨云各部分电荷的产生原因有很多学说，但是这些理论难以用实际的观测说明其正确性，大多理论是从实验室通过各种试验来说明，特别是随计算机的发展，雷雨云起电的数值试验得到很大发展，是雷电研究的新途径。我们这里介绍几个公认比较成熟的学说。 （1）、碰撞感应起电机制（2）

4、、非感应起电机制 （3）、对流起电机制雷雨云的电是怎么来的呢? 雷雨云中有哪些物理过程导致了它的起电?碰撞感应起电机制对于云中有固态或液态水滴时，感应起电是很重要的。1、假定：降水粒子（大粒子）和云粒子（小粒子）在受到外电场的作用而极化，由于降水粒子远大于云粒子，降水粒子向下运动，云粒子向上运动。2、机制：当它们相遇发生碰撞时可以交换电量。如果电场垂直向下，则粒子上半部极化为负电，下半部极化为正电。当它们接触时，降水粒子正电荷与云粒负电荷相交换，最后导致降水粒子带负电，云粒子带正电，通过重力分离机制，荷正电荷的云粒子向云的上部运动，荷负电荷的降水粒子向云的下部运动，从而形成云中上部为正，下部为

5、负的电荷中心。碰撞感应起电机制观测表明，雷暴云底处集中相当数量大雨滴, 当大雨滴出现在上升气流很强的地方, 且当水滴的半径超过毫米时，水滴即被强上升气流作用而破碎。最初水滴表现为变得扁平，然后其下表面被气流吹得凹进去，成为一个水泡或口袋，最后破裂为小滴。如果外电场E 指向是自上向下，则大雨滴上半部破碎成荷负电的小水滴，下半部破碎成荷正电大水滴。于是在云中正、负电荷的重力分离过程中，带负电的小水滴随上升气流到达云的上部，而带正电的较大水滴因重力沉降而聚集于00C层以下的云底附近，使云底荷正电。大雨滴破碎起电机制大雨滴破碎起电机制，可以很好的解释有些云底荷少量正电荷的原因。大雨滴破碎起电机制 如果

6、两片初始温度不同的冰晶被带到一起，而后又被分开，则温度较高的冰晶获得负电荷，而较冷的冰晶获得相等数量的正电荷。非感应起电机制温差起电其起电原因为：（1）冰中有一小部分的分子处于电离状态，形成较轻的H+和较重的羟基OH-离子，并且其浓度随温度升高而很快增加,温度高(热)的地方离子浓度大, 温度低(冷)的地方离子浓度低；（2）H+离子的扩散系数和迁移率比OH-离子要大10倍以上。因此当冰中有温度梯度时，将出现离子浓度梯度。由于热端起初具有较高的正、负离子，而后沿此浓度梯度，H+离子扩散得快，导致正负离子分离，使冷端获得净正电荷电量，而热的一端为净的负电荷, 冰中体电荷生成的电场将阻止电荷分离的继续

7、，最后达到平衡状态，冰内建立了稳定的电位差。非感应起电机制温差起电积雨云的温差起电的两种方式：冰晶、雹粒相互碰撞摩擦若有温差时就会发生热电效应，引起离子迁移，当两者分开时，都带上了电，在重力和气流作用下相互分离，这就出现了积雨云中正、负电荷的分布区。 云中冷水滴与雹粒接触时，过冷水滴有了凝结核，发生相变，迅速变成冰。释放的潜热又使冰的外壳破裂成冰屑，冰屑带正电随气流上升，较大的水滴带负电留在原地或约下降，形成雷（雨）云起电后的电荷分布。非感应起电机制温差起电对流起电机制（热带地区暖云）这模式假定在雷雨云的发展过程中，上升气流初期把云底以下低层大气净正离子电荷带到云内直至云的上部，这些正电荷在云

8、上部聚集形成正电荷中心，在这正的中心电场作用下，形成向上的传导电流，云顶以上电离层的负离子向下移动到云顶，由于云体周围是以下沉气流为主，这些负离子随下沉气流沿云体侧面下降到云体下部，在云的下部形成负电荷中心，使地面产生尖端放电，形成大量正离子，这些正离子又随上升气流到达云体上部，进一步加强了云上部的正电荷中心，同时又吸引云上方的电离层的负离子，复又随云四周的下沉气流到达云下部。对流起电机制非感应起电机制对流起电机制 1、根据闪电部位分类： 分成云闪和地闪两大类。 （1）云闪：是指不与大地和地物发生接触的闪电，它 包括云内闪电、云际闪电和云空闪电。 云内闪电：是指云内不同符号荷电中心之间的放 电

9、过程； 云际闪电：是指两块云中不同符号荷电中心之间 的放电过程； 熟悉雷电的分类（形状分类、空间位置分类） 云际闪云空闪 云空闪电：是指云内荷电中心与云外大气中不同符号荷电中心之间的放电过程。 云顶闪电：是指云顶电荷与云顶以上大气(电离层)间的闪电。 （2）地闪：是指云内荷电中心与大地和地物之间的放电过程，亦指与大地和地物发生接触的闪电。如图是照相机观测到的一次地闪，从图中可以看到，闪电自上而下，表现有许多分叉结构。 地闪和闪电分枝 图1是相机摄取的既有云空闪电， 还有地闪的照片，表现为两支明亮的流光，一支到达地面，另一支则于空中近乎水平方向伸展很长的距离后消失，并有许多分枝，分枝主要发生在三

10、个地方。 图2为山脉上环状的向上负电闪，闪电流光从一塔顶伸出，打了个圈，然后水平方向伸很长距离。 图3是1963年Surtsey叙尔特塞火山喷发时发生的云空闪电现象, 表现一条条很亮的流光 地闪 图1 地闪伴有云空闪电的照片 图2 山脉上环状的向上负电闪图3是1963年Surtsey火山喷发时 发生的云空闪电(1963年12月)云空闪电环状流光 2、根据闪电的形状分类 根据闪电的形状又可分为线状闪电、带状闪 电、球状闪电和联珠状闪电。 线状闪电:最为常见，包括线状云闪和线状地闪。线 图4 线状闪电状闪电的形状婉延曲折、具有丰富的分叉，类似树枝状，所以也称枝状闪电。线状电闪具有若干次闪电，其中每

11、次放电过程称之为一次闪击。图4是用Pentax宾得相机照得的一次线状闪电照片，闪电表现为细而明亮的流光。带状闪电：是宽度达十几米的一类闪电，它比线状闪 电要宽几百 倍，看上去 象一条亮带， 所以称为带 状闪电。图 5给出一次 带状闪电击 中烟囱的闪 电图片。图5 带状闪电 联珠状闪电：联珠状闪电多出现在强雷暴期间，并常紧接着一次线状闪电之后出现在原通道上，形状象挂在空中的一长串珍珠般的发光亮班（或发光球体），有时则为许多长达几十米的发光段，这些亮斑一般较暗淡。因而称联珠闪电或称链状闪电。如图所示，联珠状闪电的持续时间较线状地闪长得多，熄灭过程也较缓慢。 球状闪电：看上去象一团火球，因而称为球状

12、闪电。 （1）、球状闪电的特点 球状闪电的尺度：常出现在强雷暴期间，与强烈的地闪同时出现。球状闪电多为球形，也有环状形或放射出火花球状闪电。直径平均为25厘米，多数在10100厘米。 球状闪电的亮度和颜色：球状闪电发出的光并不特别明亮，但即使在白天也清晰可见，其亮度较为稳定。球状闪电的颜色大多呈橙色和红色，也观测到黄色、蓝色和绿色的球状闪电。 球状闪电的气味和声响：球状闪电多数不发声，也有不少发出嘶嘶的响声，多数球状闪电无明显气味，也有发出硫磺、臭氧或二氧化氮的气味。 球状闪电的路径：球状闪电一般以每秒几米的速度作水平运动，它的移动路径较为复杂，有时停滞不前、有时从空中直接向下降落、有接近地面

13、突然改变方向。地面的球状闪电具有曲折的轨迹，如图7，它可以通过门窗直接进入室内。有的球状闪电在运动过程中伴有自旋运动。球状闪电运动的速度不太快。 球状闪电的生命：球状闪电一般可以存在15秒，个别较大的球状闪电甚至可以维持几分钟之久。许多球状闪电无声无息地消失，但也有不少球状闪电在消失时爆炸。 ）球状闪电对物体和周围物体有吸引性。 图7 球状闪电入室1、按闪电电流划分 （1）正地闪：闪电电流为正（向下）的称正地闪；通常云底荷正电荷, 地面为负电荷。 （2）负地闪：闪电电流为负（向上）的称负地闪；通常云底荷负电荷, 地面为正电荷。 2、按先导方向划分 （1）向下先导：由云向下到地面发展的先导；如果

14、先导带负电，称向下负先导；如果先导带正电，称向下正先导。 （2）向上先导：由地面向云中发展的先导。如果先导带负电，称向上负先导；如果先导带正电，称向上正先导。地闪 的分类图1 旋转快速相机摄取 的向上负地闪图2 普通相机摄取 的向上闪击 图1是旋转快速相机摄取的向上负地闪，闪电流光表现为阶梯式向上。 图2是普通相机摄取山脉顶的一个塔的向上闪击。 100m地闪分类vlrllrrrvvv1bl1a2a3a4a2b3b4b 第一类地闪具有向下先导和向上回击，云中负荷电中心与大地和地物间的放电过程，具有负闪电电流，因此，简称为向下负先导负地闪；如果负先导不着地，则就无回击，此时只有图1a所示的过程，云

15、空放电。如果负先导着地，则就产生回击，将云中的部分电荷泄放到大地，若该过程只一次为单闪击闪电（图1b），若重复多次为多闪击闪电。 图 1a,1b 向下负先导负地闪（l 先导，r -回击，v 发展方向） 第二类地闪具有向上正先导的云中负荷电中心与大地和地物间的放电过程，具有负闪电电流。它又分下面两种情况： 图 2a ，先导带正电向上，放电一般始于高耸的接地体（塔尖或山顶），具有向上正先导而无回击，简称为向上正先导连续负放电。 若对于图2b，先导带正电向上，和向下回击，称之为向上正先导负地闪，如果其后有随后闪击，称之向上正先导多闪击负地闪。2a2b 图 2a,2b 向上正先导负地闪（l 先导，r

16、-回击，v 发展方向） 第三类地闪云中荷正电，具有向下正先导和向上回击，云中正电荷中心与大地和地物间放电过程具有正闪电电流，简称为向下正先导正地闪。 图3a ，向下正先导不着地，于是产生云空放电过程。 图3b ，向下正先导着地，引起向上正回击，泄放云中的正电荷到大地，这一类在山地区少见，在湖边可见到。 图 3a,3b 向下正先导正地闪（l 先导，r -回击，v 发展方向） 第四类地闪云中荷正电，具有向上负先导的云中正电荷中心与大地和地物间的放电过程，具有正闪电电流。 图4a ，向上先导始于高耸的高层建筑的尖顶，这类地闪也有以有无回击而细分为A型和B型。 A型地闪具有向上先导而无回击的放电过程，

17、只是在先导后出现持续时间约几百毫秒，持续电流为几百安的放电过程，简称为向上负先导正地闪。 B型地闪具有向上先导和向下回击的放电过程，简称向上负先-连续正电流闪电。向上正地闪多为单闪击地闪。 图4a,4b 向上负先导正地闪（l 先导，r -回击，v 发展方向）闪电的声音 闪电通路中的空气突然剧烈增热，使它的温度高达1500020000，因而造成空气急剧膨胀，通道附近的气压可增至一百个大气压以上。紧接着，又发生迅速冷却，空气很快收缩，压力减低。这一骤胀骤缩都发生在千分之几秒的短暂时间内，所以在闪电爆发的一刹那间，会产生冲击波。冲击波以5000米/秒的速度向四面八方传播，在传播过程中，它的能量很快衰

18、减，而波长则逐渐增长。在闪电发生后秒，冲击波就演变成声波，这就是我们听见的雷声。 地闪是云与大地之间的一种放电过程，它与地面建筑物、电讯和电力输送等人类活动的防雷直接有关，它对人类造成的危害远较其它闪电要大。所以对它的研究也较为深入。有关地闪的结构的研究要归功于1926年博尹斯（Boys）设计的一种旋转式相机，利用Boys相机揭示了地闪的结构，闪电的速度，发展时间等。地闪地闪的基本物理过程云对地闪电(地闪)的主要物理过程:初始击穿过程梯级先导过程连接过程回击直窜先导 时间尺度:秒-2秒图8一次自然闪电高速摄像记录1、闪电的初始击穿一般在起始击穿的初期，积雨云的下部有一负荷电中心与其底部的正电荷

19、中心附近局部地区的大气电场达到104V/cm左右时，则该云雾大气会初始击穿，负电荷中和掉正电荷，这时从云下部到云底部全部为负电荷区。 2、梯级先导过程随大气电场进一步加强，进入起始击穿的后期，这时电子与空气分子发生碰撞，产生轻度的电离，而形成负电荷向下发展的流光，表现为一条暗淡的光柱象梯级一样逐级伸向地面，这称之为梯式先导。梯式先导的平均传播速度为3.0105m/s左右，其变化范围1.0105m/s至2.6106m/s左右，梯式先导有多个单级先导组成，而单个梯级的传播速度则快的多，一般为5107m/s左右梯级先导通道直径较大，变化范围为110m左右单个梯级的长度平均为50m，其变化范围为301

20、20m左右 3、 电离通道 梯式先导向下发展的过程是一电离过程，在电离过程中生成成对的正、负离子，其正离子被由云中向下输送的负电荷不断中和，从而形成一充满负电（对负地闪）荷为主的通道，称为电离通道或闪电通道，简称为通道。如图11中，闪电通道由主通道、闪光和分叉通道组成。在闪电放电过程中主通道起重要作用。 图11 电离通道结构 主通道 失光通道(仅第一闪击)分叉通道4、连接过程当具有负电位的梯式先导到达地面附近，离地约5-50米时，可形成很强的地面大气电场，使地面在正电荷向上运动，并产生从地面向上发展的正流光，这就是连接先导。可以看出，连接先导大多发生于地面凸起物处。5、回击当梯级先导与连接先导会合，形成一股明亮的光柱，沿着梯式先导所形成的电离通道由地面高速冲向云中，这称为回击。峰值电流几十kA（ 104K)，瞬时功率1011W以上，通道温度30000 以上 回击比先导亮得多，回击的传播速度也比梯式先导的速度快得多，平均为510 7cms1，变化范围为10 7cms1到10 8cms1左右。 回击的通道的直径平均为几厘米，其变化范围为0.123厘米。 回击具有较强的放电电流，峰值电流强度可达104K量级，因而发出耀眼的光亮。 由梯式先导到回击这一完整的放电过程称为第一闪击。 紧接着第一闪击之后，约经过几十毫秒的时间间隔，这时又有一条平均长