大气电与雷电形成和变化

《大气电与雷电形成和变化》基于多年来作者关于大量已有雷电观测资料的全面分析，结合介质在电场中的特性，从雷暴电场的形成和发展过程深入阐述了雷暴电场形成的机理；利用雷暴电场形成机理，对以往雷电危害防护措施及标准的合理性进行了分析，对雷电危害防护具有指导意义。本专著共8章，包括绪论、雷云介质在雷暴电场中的特性、大气电场的形成与维持、雷暴电场的形成过程、运动电荷的电场、闪电的梯级发展特征、雷电危害、雷电防护等内容。

申积良，男，1950年6月生，1976年毕业于西安交通大学电气绝缘专业，现任湖南省电力公司电力科学研究院不错工程师，从事高电压试验技术、电气绝缘技术、防雷技术等专业的研究工作，曾获获省级科技进步二等奖1次，其他科技奖项20多项，发表论文30余篇。

前言
符号说明
第1章绪论1
第2章大气中的电现象5
2.1大气电学及其发展5
2.2晴天大气电场8
2.3大气中的空间电荷10
2.4大气中的离子及离子迁移率12
2.5晴天大气电导率19
2.6大气中的电流22
2.7大气中的雷电24
2.8全球电路29
第3章非静电力形成的电动势31
3.1稳恒电路中的电荷与静电场31
3.2非静电力与电源电动势32
3.3非静电外力作用下电荷运动形成的电动势35
3.4含空间电荷气流运动形成的气流电动势37
3.5随气流运动电荷形成的电动势38
第4章大气电场的形成与维持41
4.1大气电场形成的环境条件41
4.2不同极性电荷的分离过程45
4.3大气电场的形成与维持过程50
4.4大气电场中气流电动势及电流的测量52
4.5全球大气电场分布特征53
第5章雷暴电场的形成与发展55
5.1雷云起电机制55
5.2雷暴区的大气状态特征57
5.3云雾介质的电特性58
5.4云雾介质中空间电荷分布规律73
5.5极化介质在电场中的受力及运动77
5.6雷暴电场的形成与发展过程82
5.7雷暴云体下方电场的形成与发展85
5.8雷暴中电场强度的估算87
5.9雷暴电场的分布特征88
5.10雷暴过程中的尖端放电90
5.11尖端放电测量91
5.12地面条件对雷暴发展的影响93
5.13海洋和沙漠上空的雷电94
第6章闪电的形成与特征96
6.1大气中的闪电96
6.2地闪的特征96
6.3闪电先导理论102
6.4雷暴电场中介质特性对闪电的影响103
6.5引路先导的形成106
6.6地闪通道及其结构108
6.7运动电荷的电场108
6.8运动电荷在电场中所受电场力111
6.9地闪梯级特征的形成与发展112
6.10地闪的闪击距离115
6.11影响闪击点的其他因素116
6.12闪电和长间隙放电实验之间的差异117
第7章大气及雷暴电场能量119
7.1电荷的电场能量119
7.2电容器的电场能量121
7.3静电场中的电场能量122
7.4晴天大气电场中能量的维持124
7.5雷暴电场中能量的形成124
7.6雷暴电场中的能量消损125
第8章雷暴与降水127
8.1雷电与雷雨云127
8.2闪电与降水128
第9章雷电危害及雷电危害防护131
9.1雷电危害131
9.2雷电危害的分类133
9.3雷电危害防护137
9.4雷电危害防护技术措施138
9.5防雷设备及器件144
9.6电力设备雷电危害防护147
9.7电子设备雷电危害防护149
9.8防雷接地技术150
9.9屏蔽与等电位连接152
9.10千年木塔未遭雷电危害的原因分析153
9.11消雷的可能性154
参考文献158

无论怎样评价人类认识电对整个自然科学及现代科学技术发展的影响均不为过。电学包括和电学密切相关的电磁学，是物理学中非常重要的部分。现代科学研究越来越清楚地认识到，和物质变化有关的各种化学变化过程，其实质仍然是微观的电的变化过程，是物质微粒间静电不平衡作用的结果。随着现代科学技术的发展，大气中的各种电现象越来越引起人们的关注。大气电是地球大气环境中一个非常重要的组成部分，不但形成了能够观测到的大气电场、雷电等现象，还极大程度地影响着地球环境中气候和天气的变化、生命的形成和动植物的生长等生命活动、人类生活和生产活动等。对于电学的认识，关于宏观上有关各种电特性、电力作用过程及有关理论的研究和应用，微观上静电力平衡所涉及的各种化学过程等的研究都已经非常广泛和深入，而现代人类关心的科学领域之一的生命科学，涉及生命的形成与生命活动、动植物的生长，本质上是不同物质间的转换和信息传递，涉及各种复杂的化学变化过程，这些变化过程实质也是微观粒子之间的静电平衡。人们猜测，雷电导致有机化合物的合成，其平衡过程是在电的剧烈变化过程后形成的。而通常情况下，生命活动中的平衡过程主要是一些长时间缓慢的电平衡过程。植物种子经历搭载宇宙飞船在太空遨游后，会发生一系列变异，这可认为主要是由于植物种子经历了宇宙飞船中失重、外界电、磁场等环境变化过程后，影响了粒子间的电平衡关系。现代凝态物理学开创了这种物质微粒间电平衡关系的研究，应该也是今后生命科学研究的重要方向之一。观测表明，晴天大气中始终存在方向竖直向下的大气电场，而处于扰动天气的局地区域，还会出现剧烈变动的雷暴电场。有关大气空间电学量的观测，大气电场及整个大气电场中雷暴电场是如何形成的、雷暴电场与大气电场之间的相互关系，全球电路等研究，已经形成一门独立的学科——大气电学。有关大气电场及整个大气电场中的雷暴电场是如何形成的、雷暴电场与大气电场之间的相互关系等问题，人们进行了非常广泛的观测和分析，积累了大量的观测和研究资料，但一直没有对相关问题形成合理的、令人满意的说明。美国杰出科学家富兰克林通过科学实验对闪电的“电”的本质进行了实验论证，并由此发明了避雷针，开启了大气电学学科的大门。1752 年，Lemonier 发现一根竖直的绝缘放置的长导体在晴天也会带电，第一次提出了大气电场无时无刻不存在，在随后的观察中他发现导体若带尖端，它就会放电，并确认导体在晴天荷电的电荷极性为正，在雷雨天气则多半为负。他通过观测、分析，认识到大气中有正空间电荷。英国剑桥大学的Lord Kelvin 于1860 年第一个明确提出了电位的概念，提出了多方面研究大气电场的方法和原理，并发明了象限静电计，该仪器至今仍不失为观测大气电场的基本仪器。20 世纪，大气电学研究主要集中在大气导电、闪电、雷云起电机制和云中电荷分布等方面。Coulomb C A 于1795 年发现大气也是导体。他根据所观察到的大气电流进行估算，发现如果没有补充来源，地球所带电量会在10min 内消耗完。Elster Geited（1899）和Wilson（1990）等分别发现了大气中存在不同大小、带有正电或负电的小粒子。大气中带电粒子有正有负，它们会相互吸引复合而消失。实际观察表明，大气中带正电的粒子和带负电的粒子浓度会保持一定的数值，这是为什么？为维持这种状态，大气中应存在电离源。进一步研究认识到，大气中的电离源主要是来自地球以外空间、大气空间和地球表面放射性物质的辐射。大气中存在的正、负带电粒子数并不相等，因此，大气空间中存在净空间电荷，正是由于这些净空间电荷，大气中出现了大气电场。在大气电场作用下，大气中的空间电荷会在大气电场中运动，从而形成大气中微弱的电流，使大气能够导电。由于大气能够导电，大气中的空间电荷总会消失。观测表明，大气中的空间电荷始终存在，大气电场一直维持。大气电现象最引人注意的是闪电，Walter 于1903 年用照相记录研究闪电，第一次使人们认识到一次闪电是由几次放电组成的。1926 年Boys 设计了一种旋转相机，利用这种相机揭示了地闪的梯级发展结构，Bruce（1944）、Schonland（1953）、Pierce（1955）年先后提出了闪电先导理论。闪电的观测资料表明，闪电并不像人们想象的那样，一次性地从雷云中直通地面，而是按一定的时间，向下发展然后停顿片刻，再向下发展再停顿，按梯级方式逐级向地面发展。对地闪为什么不直接冲向地面，而是以梯级形式逐级向地面发展，人们至今未能从理论上得到很好的解释。闪电是由雷暴电场产生的，雷暴电场是如何形成的，以往的研究中提出了各种不同的雷云起电机制，但所有这些机制都未能对雷暴电场的形成和发展过程做出合适的令人满意的解释。雷暴电场是由雷云中的空间电荷构成的，这些电荷反抗不断增强的雷暴电场，从云体外部进入云体中，并在云体内聚集，最终导致大气空气介质击穿，产生闪电的雷暴电场强度。以上列举的诸多有关大气电现象，都是人们最为关注的问题。本书在以往研究的基础上，结合已有的大量观测资料，对这些问题进行了研究分析。带电质点随地球自转在地球磁场中运动受洛伦兹力作用，趋向大气空间运动，向大气空间输送电荷，地表上升气流携带空间电荷竖直向上运动，形成气流电动势不断向大气空间输送电荷，形成并维持大气电场。雷暴区的上升气流携带雷云下层空间电荷反抗大气电场向上运动，形成的气流电动势不断向云体内输送电荷，使雷云所在的竖直区电场不断增强，气流电动势随着增大，在雷云区逐渐出现电荷密度大、电场不断增强、云体周围电场强度由里向外逐渐减弱的非均匀电场区。在这种非均匀电场区，富含水性质点的空气介质，促使空间电荷趋向由电场较弱、空气介质ερ 值较小的云体外向电场较强、空气介质ερ 值较大的云体区聚集，使雷暴云体内空间电荷密度持续增大，最终形成云内电场不断增强的雷暴电场。分析气流电动势向云体充电回路，在云体以下区域存在反向充电区，因而在云下区会形成电场方向和云体内的电场方向相反的反电场区。电荷在空间运动时，若运动速度接近或达到光速，电荷运动方向和垂直于运动方向的四周区域的电场会发生畸变，运动方向上的电场强度减弱，垂直于运动方向的四周区域的电场增强，速度越大，这种效应越显著。当雷暴电场强度达到云内空气介质击穿强度值时，便发生闪电，在电场力的作用下，闪电先导内的电荷速度急剧增加，当电荷速度接近光速时先导周围的电场严重畸变，先导前进方向的电场急剧减弱；当其电场强度减弱到空气介质击穿强度时，空气介质对先导运动的阻力增加，先导便会停止运动，出现短暂停顿。随着先导速度的变化，先导前端的电场强度逐渐恢复，同时先导后部及通道周围区的电荷沿闪电通道进入先导内，先导内电荷密度增加，电场又会逐渐增强，在强度到达空气介质击穿强度值时，空气介质再次发生击穿，先导又会向前推进，循此往复，形成闪电的梯级发展通道。电场能量是电场的基本属性之一，大气电场能量的分布和维持、雷暴电场能量的分布形成、雷暴电场能量损耗形式等也是大气电学研究的问题之一。以往的研究中实际观测资料较少，本书对这些问题进行了简单的分析。雷暴总是和降水相伴，雷暴和降水形成需要的大气条件有很多相同的地方，本书就雷雨云中空气介质特性，阐述了雷暴形成与降水形成之间相互影响和依存的关系。大气中的雷暴形成后，经常发生剧烈的闪电现象，对人类的生产、生活产生危害，本书对雷电危害类型、雷电防护的一般概念进行了介绍。本书还对海洋和沙漠上空的雷电为什么偏少、实际闪电与实验长间隙放电实验之间的差异、千年古塔未遭雷电危害的原因、消雷的可能性等问题进行了讨论。谨向所有帮助我写成和出版此书的同事、朋友和出版社编辑等致谢，特别感谢西安交通大学施围教授在我写成此书的过程中给予的鼓励和帮助。由于作者水平有限，书中难免存在不妥和疏漏之处，恳请读者批评指正。申积良2017 年5 月于长沙