66-第五章 闪电始发条件与人工引雷

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1、66-第五章闪电始发条件与人工引雷第五章闪电始发条件与人工引雷5.1引言雷暴云带电后，从电学上讲，它处于一种不稳定的状态。这时在云中或地上若能始发一持续向前传输的先导，就会导致或是云中不同极性电荷之间的放电，或是云中电荷与地之间的放电，这就是雷电。若这一持续向前传输的先导是在自然条件下产生的，由此引起的雷电就是在前几章中介绍的自然雷电；若这一持续向前发展的先导是人为产生的，由此引起的雷电就是将在本章及后两章中介绍的人工引雷。不管是自然雷电还是人工引雷，它们都有一个始发条件的问题。对闪电始发条件有一个初步认识是

2、从本质上理解人工引雷的基础；反过来，通过对人工引雷初始过程进行分析又为进一步探究闪电始发条件提供了一条有效的途径。闪电始发条件与人工引雷关系非常密切，为了方便，我们特意将这两者放在一章中进行介绍。5.2长间隙放电的一般始发过程在介绍闪电始发条件时由于要涉及到一些基本放电过程，在这一节里，我们先来看长间隙放电的一般始发过程。就放电通道长度及所中和电荷量讲，尽管雷电要远远大于室内间隙放电，但就其起始过程讲，它们应是共通的。考虑到早在20世纪70年代人们对室内长间隙放电的初始过程已有较全面的认识（LesRenard

3、ieresGroup，1972；1974；1977），这里我们以室内棒与平板之间的长间隙放电为例介绍长间隙放电的一般始发过程。当将棒一平板之间电压升高到一定程度时，首先将在棒与平板之间出现电晕放电。电晕放电是一种较弱但比较稳定的放电，它只牵涉到棒顶端很小的区域。当将棒与平板之间的电压再升高到一定值时，棒顶端处的放电会演变成沿一细通道向前传输的流光。图5-1是一正流光向前发展时的示意图。受光电离的作用，流光头部附近存在众多自由电子。在流光头部强电场作用下，以这些电子为起点，将出现大量向着流光头部发展的电子雪崩。

4、这些电子雪崩的头部很快与流光头部汇集到一起。由于正流光头部带的是正电，而电子雪崩头部带的是负电，流光头部的正电荷与电子雪崩的负电荷发生中和，电子雪崩只剩下尾部处的正电荷。这些正电荷汇集到一起就会形成正流光的新头部。正流光就是这样的形式向前传输。测量结果表明流光通道的电离度很弱。图5-2是一负流光向前发展时的示意图。与正流光不同的是负流光头部处出现的电子雪崩不是向着流光头部，而是与流光沿同一方向发展。当有大量流光出现时，这些流光汇集到一起就会形成如图5-3所示的先导。流光与先导本质上并没有什么太大的差别，只是两

5、者相比，先导通道中的电流较大，因而温度也较高、电离度也较大。测量结果表明：流光电流一般只有几十毫安，而室内长间隙放电的先导电流可达数安培，闪电的先导电流则可达上百安培。长间隙放电涉及到的基本始发过程就是以上这些，不过在实际长间隙放电中观测到的现象要远为复杂。这里我们来看几例实测到的先导高速摄像照片及由此得到的先导始发过程示意图。　　图5-4是一例间隙为10m、棒与平板之间加正极性开关电压时产生放电的高速摄像照片。图5-5是根据分析这类照片得到的放电始发过程示意图，时间是从左至右。图中的a代表首次放电，它包含丝

6、状流光及发光较亮的根部u（stem）。首次放电终止后稍微间歇一段时间，二次放电发生并转变成先导（e）向前传输。可以看到，先导顶端伴随着众多丝状流光。正先导通道除其头部发光较强之外，其他地方发光很弱。一般情况，正先导传输具有连续性，但有时也会出现图中所示的再发光现象（q），从而使传输变得不连续。　　　　图5-6是一例间隙为7m、棒与平板之间加负极性开关电压时产生放电的高速摄像照片（Ortega等，1994）。可以看到负先导的发展过程更为复杂。同样，根据分析这类照片可以得到如图5-7所示的负先导发展过程示意图。这

7、里的a是首次放电，A是发光较强的二次放电，二次放电的根部很快转变成先导（e）并向前传输。离先导头部（e）不远的地方存在强烈发光点f（常称空间stem）。从f点常常同时出现两个正好沿着相反方向传输的流光b和c。b是正流光，它向着负电极传输，c是负流光，它沿着先导前进的方向传输。点f伸长后演变成空间先导（g）。当先导e与空间先导g碰到一起时，将会出现再发生现象（q），从而负先导以不连续的形式向前传输。图中的p代表正流光b所引起的辉光电晕（glowcorona）。5.3自然雷电始发条件根据前一节中谈到的放电始发过程

8、，雷电的始发实际上牵涉到两个主要基本过程：其一是初始流光的始发，其二是流光的持续传输。在雷云中激发初始流光的因子可以很多，像水滴碰撞、分裂时都会引起水滴变形，从而加大局部畸变电场，最终触发流光。若该流光能得以持续传输，它们就会演变成先导并引起雷电。　　Phelps（1971）通过在平板电极之间引入初始流光的实验测量到：正流光持续传输所需要的环境电场大约在6.3×105～7.4×105V/m之间；而负