1、地 閃 概 況,成都信息工程學(xué)院 佘會(huì)蓮,負(fù)地閃各階段放電特征 預(yù)擊穿過程 梯級(jí)先導(dǎo) 連接過程 回?fù)?箭式先導(dǎo) 連續(xù)電流 M分量 J變化 K變化等,預(yù)擊穿過程,預(yù)擊穿過程是地閃通道伸展出云底之前發(fā)生于云內(nèi)的弱電離過程 電場(chǎng)變化一般可持續(xù)幾毫秒到幾百毫秒，典型值為幾十毫秒 初始擊穿過程的脈沖特征:初始極性與隨后的地閃回?fù)綦妶?chǎng)變化極性相同，總體形狀以雙極性為特征,初始擊穿發(fā)生于主負(fù)電荷區(qū)和云下部的正電荷區(qū)之間，而且放電過程好象開始于正電荷中心，然后向上發(fā)展至負(fù)電荷區(qū)。 預(yù)擊穿過程發(fā)生于被地閃輸送到地面的云內(nèi)負(fù)電荷所在的高度上，位于海拔6-8km的高度 利用VHF窄帶干涉儀分別對(duì)地閃和云閃的初始預(yù)擊

2、穿過程進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)預(yù)擊穿過程起始于負(fù)電荷區(qū)域，但是地閃的初始擊穿向下發(fā)展，而云閃則向上發(fā)展。兩種情況下的發(fā)展速度都為1-3105m/s,問題：在對(duì)預(yù)擊穿過程的研究中，首先應(yīng)該搞清楚它起源于何處？中和的電荷源在哪里？,梯級(jí)先導(dǎo)（stepped leader）,電場(chǎng)特征 先導(dǎo)分類 先導(dǎo)電流 先導(dǎo)電荷 先導(dǎo)始發(fā)理論 先導(dǎo)靜電學(xué)模式,梯級(jí)先導(dǎo)的一般特征 先導(dǎo)的速度 梯級(jí)長度 通道直徑 持續(xù)時(shí)間 脈沖特征,梯級(jí)先導(dǎo)的一般特征,表現(xiàn)為一條暗淡的光柱像梯級(jí)一樣逐級(jí)伸向地面，這稱之為梯級(jí)先導(dǎo)。 在每一梯級(jí)的頂端發(fā)出較亮的光，梯級(jí)先導(dǎo)在大氣體電荷隨機(jī)分布的大氣中蜿蜒曲折的進(jìn)行，并產(chǎn)生許多向下發(fā)展的分枝。,閃

3、電a 回?fù)羟?ms,梯級(jí)先導(dǎo)放電通道發(fā)展,閃電b梯級(jí)先導(dǎo)與首次回?fù)?根據(jù)條紋照相得到的梯級(jí)長度和向地面?zhèn)鞑サ乃俣龋琒chonland(1938)將梯級(jí)先導(dǎo)分為和兩種類型。,型先導(dǎo)向地面的傳播速度穩(wěn)定，約為105m/s，梯級(jí)長度和發(fā)光強(qiáng)度變化不大，但比型先導(dǎo)的長度短，而且亮度也較弱。 型先導(dǎo)的梯級(jí)長度為10200m，梯級(jí)間的時(shí)間間歇為37124ms。通常梯級(jí)間的間歇越長，隨后的梯級(jí)長度也越長。 型先導(dǎo)以較長、較亮的梯級(jí)開始，向地面?zhèn)鞑サ钠骄俣葹?06m/s，在云底附近有較多的分叉，而當(dāng)其接近地面時(shí)，則與型先導(dǎo)類似。,梯 級(jí) 先 導(dǎo) 類 型,先 導(dǎo) 參 數(shù),速度：梯式先導(dǎo)的平均傳播速度為3.01

4、05m/s左右，其變 化范圍1.0105m/s至2.6106m/s左右，梯式先導(dǎo)有多個(gè)單級(jí)先導(dǎo)組成，而單個(gè)梯級(jí)的傳播速度則快的多，一般為5107m/s左右； 長度：?jiǎn)蝹€(gè)梯級(jí)的長度平均為50m，其變化范圍為30120m左右。 直徑：通常發(fā)光梯級(jí)先導(dǎo)的直徑為110m，先導(dǎo)的電荷也包含在幾乎同樣尺寸的通道中 先導(dǎo)電流：先導(dǎo)電流應(yīng)該流動(dòng)在直徑為幾毫米的中心核內(nèi)。梯級(jí)先導(dǎo)的平均電流為5063A。 先導(dǎo)電荷：梯級(jí)先導(dǎo)的總電荷為1020C，由此得到的單位梯級(jí)長度的平均電荷為10-30C/m。,先導(dǎo)持續(xù)時(shí)間,梯級(jí)先導(dǎo)的電場(chǎng)脈沖和梯級(jí),電場(chǎng)反號(hào)距離,近距離電場(chǎng)變化為負(fù)值,遠(yuǎn)距離電場(chǎng)變化為正值,先導(dǎo)的始發(fā)理論,引

5、路先導(dǎo)模式（Schonland ） 認(rèn)為先導(dǎo)通道是一個(gè)半徑為1m徑向特性均勻的柱體， 電暈電弧轉(zhuǎn)化模式（Bruce ） 把先導(dǎo)通道看成是一個(gè)由電暈殼包圍的中心弧核,1Schonland的引路流光理論,Schonland（1938，1953，1956）在最初對(duì)先導(dǎo)機(jī)制的討論中認(rèn)為梯級(jí)先導(dǎo)是一個(gè)徑向特性均勻半徑為1m的柱形通道。之后，Schonland（1962）又提出了更進(jìn)一步的先導(dǎo)模型，即在先導(dǎo)通道中心存在一個(gè)與電弧相似的細(xì)導(dǎo)電核，導(dǎo)電核被一個(gè)半徑為幾米的電暈殼所包圍。先導(dǎo)電流主要在核內(nèi)流動(dòng)，而先導(dǎo)電荷則由電暈殼所攜帶。,第一階段：弱電離的引路流光以1.5105m/s-8.0105m/s的速度

6、前進(jìn)10-80m的距離。 第二階段：在引路流光前進(jìn)期間保持靜態(tài)的高度電離先導(dǎo)突然前行，并形成一個(gè)快而亮的梯級(jí)。梯級(jí)的速度超過5107m/s，持續(xù)時(shí)間為1s量級(jí)。在到達(dá)引路流光根部時(shí)，先導(dǎo)停止，而流光又開始了下一次的發(fā)展。,擊穿可以分為兩個(gè)階段,2.Bruce電暈電弧轉(zhuǎn)化理論,強(qiáng)調(diào)了電暈電流的重要性，認(rèn)為梯級(jí)的產(chǎn)生是由于發(fā)生了電暈到電弧的突然轉(zhuǎn)化。由于先導(dǎo)尖部的高電場(chǎng)，使通道前面的那些區(qū)域處于毛刷狀或輝光放電狀態(tài)，由于通道核心和周圍空間之間存在很高電位差，在核心周圍將產(chǎn)生徑向電暈放電，單位長度上的電暈電流隨著輝光放電長度的增加而增加，當(dāng)達(dá)到臨界電流IT100A/m，就轉(zhuǎn)化為具有弧光特性的放電通道

7、，此放電通道的延伸，就形成了明亮梯級(jí),先導(dǎo)的靜電學(xué)模式,1、源電荷模式 2、不荷電雙向先導(dǎo)模式,一個(gè)發(fā)展完善的先導(dǎo)通道可以等效為一個(gè)位于地表上空均勻帶電的垂直線電荷,1.源電荷模式,2、不荷電雙向先導(dǎo)模式,Kasemir將靜電學(xué)基本原理應(yīng)用于閃電現(xiàn)象中，認(rèn)為閃電可以等效為環(huán)境電場(chǎng)中的一個(gè)導(dǎo)體，從而提出并發(fā)展了雙向發(fā)展、整體不荷電先導(dǎo)模式的概念,D處的地面電場(chǎng)變化,連接過程,在雷電防護(hù)設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的參量 閃擊距離指連接先導(dǎo)從被雷擊物體上激發(fā)出來的瞬間,被雷擊物體和下行先導(dǎo)之間的距離。,閃擊距離,下行的梯級(jí)先導(dǎo)傳播至地面幾十米的范圍內(nèi)時(shí)，先導(dǎo)頭部電荷產(chǎn)生的局地電場(chǎng)將由于地面上的電導(dǎo)物體存在而增強(qiáng)

8、，而地面或地面的突出物體上也將產(chǎn)生向上的迎面先導(dǎo)，當(dāng)二者相連接時(shí)，將導(dǎo)致強(qiáng)的放電過程即回?fù)舻漠a(chǎn)生。先導(dǎo)和回?fù)糁g的過程被稱為連接過程。,回?fù)?(Return Stroke),輻射電磁場(chǎng)、 回?fù)綦娏鳌?回?fù)羲俣取?發(fā)光和光譜 以及回?fù)裟Ｊ降?回 擊 電 磁 場(chǎng) 特 征,幾公里之內(nèi)的回?fù)綦妶?chǎng)以靜電場(chǎng)為主，它在回?fù)綦娏魍Ｖ沽鲃?dòng)后不會(huì)馬上變?yōu)榱恪?近距離的磁場(chǎng)同樣也以靜磁場(chǎng)為主。遠(yuǎn)距離的電場(chǎng)和磁場(chǎng)有類似的波形，為弧形雙極性波形。,一次負(fù)地閃首次回?fù)艉屠^后回?fù)舻妮椛鋱?chǎng)波形的精細(xì)結(jié)構(gòu),上升階段按其上升速率可分為兩種不同的過程 慢前沿過程（slowfront）， 快變化部分(fasttransition)。

9、,回?fù)粽穹V,回 擊 電 流,一般認(rèn)為首次回?fù)舻姆逯惦娏髌骄禐?040kA，200kA的發(fā)生幾率為1。繼后回?fù)舻姆逯惦娏鞣植寂c首次回?fù)纛愃?，但大小差不多為首次回?fù)舻囊话搿?（1）幅值：指雷電的脈沖電流達(dá)到的最高值。其值不同地方差異很大。我國雷電流幅值大小的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式,P為出現(xiàn)雷電流大小幅值的概率,地閃電流波形及參量：,（2）波頭（峰值時(shí)間t1） ：指雷電的脈沖電流上升到幅值的時(shí)間。一般在 1 5 us，國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為1.2 us,（3）波長（半峰時(shí)間t2）：指雷電的脈沖電流持續(xù)到波形曲線衰減到半幅值所需要的時(shí)間,一般在 20 100 us，我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為50 us 。,單極性雷電流脈沖波形

10、可計(jì)為t1/t2 ，例 1.2/50 us 。,（4）陡度（電流上升率）：雷電流隨時(shí)間上升的變化率。用幅值和波頭的比值來表示雷電流的平均陡度。,例 a = Im / 1.2 （KA/us）,標(biāo) 準(zhǔn) 波 型,上述幾項(xiàng)數(shù)字極為重要。 峰值電流反映出閃電的能量和機(jī)械破壞力的大小。 電流上升率反映閃電的脈沖 電磁輻射的作用大小，在當(dāng)今雷電災(zāi)害的研究和雷電防護(hù)上特別重要?？紤]微電子設(shè)備的防雷及易燃易爆物倉庫的防火等，需要特別重視這個(gè)參量。 半峰值時(shí)間反映 了雷電作用的持續(xù)時(shí)間，半峰值時(shí)間較長 的閃電易產(chǎn)生火災(zāi)。 t1/t2波形：1.2/50s波形.,回 擊 速 度,主通道頂部的回?fù)羲俣葹?107m/s，

11、在到達(dá)每一個(gè)分叉點(diǎn)時(shí)速度迅速減小，相關(guān)的通道亮度也快速減小，通道底部的首次回?fù)羲俣冉咏?108m/s。,直竄先導(dǎo)(Dart Leader)和直竄-梯級(jí)先導(dǎo),直竄先導(dǎo)表現(xiàn)為一根發(fā)亮的細(xì)線，或者象幾十米長的箭一樣向地面?zhèn)鞑?，通常沒有分叉 直竄先導(dǎo)向地面輸送約1C的電荷，電流為1kA。 直竄先導(dǎo)得到的平均長度為50m，分布在1590m的范圍內(nèi),不同作者得到的直竄先導(dǎo)傳播速度分布范圍一致：下限為13106m/s，上限為2123106m/s,直竄梯級(jí)先導(dǎo),當(dāng)回?fù)糁g的時(shí)間較長時(shí)，直竄先導(dǎo)將從連續(xù)移動(dòng)的先導(dǎo)轉(zhuǎn)化為梯級(jí)先導(dǎo) 相對(duì)于首次回?fù)羟暗奶菁?jí)先導(dǎo)而言，速度相對(duì)較快，梯級(jí)長度相對(duì)較短，梯級(jí)間的間歇時(shí)間也相

12、對(duì)較短。 直竄梯級(jí)先導(dǎo)的的梯級(jí)長度為10m左右，梯級(jí)間的時(shí)間間隔約為10ms,梯級(jí)先導(dǎo)回?fù)襞c直竄先導(dǎo)回?fù)?直竄先導(dǎo)回?fù)粢话銢]有分叉。直竄先導(dǎo)的電場(chǎng)變化一般持續(xù)時(shí)間為1ms，其引導(dǎo)的繼后回?fù)綦妶?chǎng)變化與首次回?fù)纛愃疲?一般認(rèn)為繼后回?fù)舯仁状位負(fù)羧?倍左右。近來越來越多的研究表明，至少在1/3的閃電中，有一次或一次以上的回?fù)暨^程比首次回?fù)魪?qiáng),首次回?fù)艉屠^后回?fù)?閃 電 a,首次回?fù)?繼后回?fù)鬜2,閃 電 a,繼后回?fù)鬜4的直竄先導(dǎo)與連續(xù)電流的部分發(fā)光圖像,繼后回?fù)鬜3的直竄先導(dǎo)與連續(xù)電流的部分發(fā)光圖像,閃 電 a,繼后回?fù)鬜2的光學(xué)圖像,閃 電 C,首次回?fù)舻墓鈱W(xué)圖像,回 擊 模 式,回?fù)舻臄?shù)學(xué)模式

13、基本可以分為三類： 1最復(fù)雜的模式通常以質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程，狀態(tài)方程和麥克斯韋爾方程來表述通道的詳細(xì)物理過程。 2第二類模式是將回?fù)敉ǖ赖刃镽-L-C傳輸線，其電路元件可以隨高度和時(shí)間而變化 3第三類模式也是最常用、最簡(jiǎn)單的模式，被稱為傳輸線模式。,線傳輸模式,假定地面為一無限大理想電導(dǎo)平面 采用柱坐標(biāo)系,回 擊 間 的 過 程,一、連續(xù)電流 continue current 二、J過程 三、M分量 四、K變化,連 續(xù) 電 流,地閃的連續(xù)電流過程是雷暴云中局地荷電中心在閃擊之后沿閃電通道對(duì)地的持續(xù)放電過程，它可引起慢而大幅度的地面電場(chǎng)變化，且云下的閃電通道持續(xù)發(fā)光。,連續(xù)電流分為兩類：

14、 一是長連續(xù)電流，持續(xù)時(shí)間超過40ms， 二是短連續(xù)電流，持續(xù)時(shí)間小于40ms。 根據(jù)閃電所包含的連續(xù)電流的情況，給出了兩個(gè)定義： 一是“混合(Hybrid)閃電”，指包含至少一個(gè)長連續(xù)電流的閃電。 二是“分離（discret）閃電”，指沒有長連續(xù)電流存在的閃電，但可以包含短連續(xù)電流。,連續(xù)電流引起的電場(chǎng)變化與之前回?fù)暨^程電場(chǎng)變化的極性一致，而且伴隨有連續(xù)的發(fā)光。 在垂直閃電通道和單極電荷模式假定下，發(fā)現(xiàn)連續(xù)電流的電荷源在云中呈水平分布，并與回?fù)綦姾稍谙嗤母叨壬?。連續(xù)電流大小在50580A之間，而且連續(xù)電流在開始最大，并隨時(shí)間逐漸減小。 長連續(xù)電流的持續(xù)時(shí)間為平均為150ms，有時(shí)可達(dá)500

15、ms。 連續(xù)電流所中和的電荷高度與回?fù)舾叨认嘟?，連續(xù)電流在300ms內(nèi)向地面輸送電荷26.46C，,連續(xù)電流的特征,首先是因?yàn)榇蟛糠值拈W電包含至少一個(gè)短或長連續(xù)電流過程。 其次約50的閃電包含一次長連續(xù)電流過程，這類閃電向地面輸送的電荷約為不包含長連續(xù)電流閃電的兩倍。單次閃擊正地閃之后的連續(xù)電流過程輸送到地面的電荷所占的比例較負(fù)地閃中的連續(xù)電流要大的多。 含有長連續(xù)電流分量的閃電對(duì)地面物體的危害為沒有連續(xù)電流閃電的幾倍，因而被稱作“熱閃電”，它常引起森林火災(zāi)、金屬構(gòu)筑物的過熱損傷或高架輸電線的損壞等。,負(fù)地閃中的連續(xù)電流過程是一個(gè)十分重要的過程,J 過程,J過程是在回?fù)糁g發(fā)生在云內(nèi)的過程。它

16、以相對(duì)穩(wěn)定的電場(chǎng)變化為特征，持續(xù)時(shí)間為幾十毫秒。J過程不伴隨有云地之間通道亮度的突然增加。,J電場(chǎng)變化由于距離的不同可能呈現(xiàn)出不同的極性,M 分 量,M分量指在回?fù)暨^程之后通道微弱發(fā)光階段通道亮度的突然增加，并伴隨有電場(chǎng)的快速變化 M分量對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)變化被稱為M變化,M分量發(fā)生在回?fù)暨^程后電場(chǎng)變化較慢的階段，40%的回?fù)舳加蠱分量 M分量以持續(xù)時(shí)間較短的U形（或鉤狀）電場(chǎng)變化為主要特征 ，整個(gè)U形過程持續(xù)200-800us,K變化,K變化指發(fā)生在地閃回?fù)糁g或最后一個(gè)回?fù)糁笠约霸崎W后期相對(duì)小的快電場(chǎng)變化 疊加在回?fù)糁g或之后及云閃后期的慢電場(chǎng)變化即J過程上 在幾十公里的距離上，云閃和地閃的K變化波形都呈梯級(jí)狀或者斜坡狀,K變化持續(xù)時(shí)間的幾何平均值是0.7ms，K變化之間的時(shí)間間隔幾何平均值為13ms。 一般認(rèn)為，K變化不伴隨有云地之間明顯的通道發(fā)光，原因是