雷电的形成.doc

精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除引言雷击是夏季经常出现的强对流天气现象之一，是大气云层的自然放电现象。雷击如同冰雹、洪水、龙卷风一样也是种自然灾害。但由于其放电瞬间释放巨大能量，居无定所，建筑物、电子设备一旦遭受雷击时，会产生超出设备所需的高电压及强电流，造成设备、设施的毁坏，继而引发火灾，造成直接间接损失无法估计。常常击毁器物，伤害人畜，严重危及生命和财产的安全，给我们的生活、生产带来极大的危害。因此，了解雷击成因，既有助于认识雷击的危害性，又可加强人类对雷电的防御。1. 雷击1.1雷击的成因和形式夏季,自然界由于高温，水分的蒸腾作用加强，空气对流运动旺盛。温热的空气被强大的上升气流推到空中遇冷形成浓积云。雷雨云是所有类型云中最为活跃的一种，在厚厚的云层中存在着大量的正负电荷，正电荷和负电荷分离形成巨大的电偶极子，或多极子。云层中大量的正电荷位于云层的顶部，大量的负电荷位于云层的中下部，少量的正电荷在云层的底部。天上的积云上升受到地面上升的热气流不断的冲击，会发生电离而产生强大的电荷。某些云团带正电荷，某些云团带负电荷，它们使大地地面或建筑物表面产生异性电荷，当电荷积累到一定程度时，不同云团之间、或云与大地之间的电场强度可以击穿空气（E=2530KV/cm）,开始游离放电，称之为“先导放电”，云对地的先导放电是云向地面跳跃式逐渐发展的，当到达地面（或地面上的建筑物、架空输电线）时，便会产生由地面向云团的逆导主放电，在主放电阶段里，由于异性电荷的剧烈中和，会出现很大的电流，电流做功的结果，可使电流通过地方的气体瞬间温度升高到30000左右，从而呈现强烈的火光，这就是闪电，同时迅速加热的闪电通道各部分气体急剧膨胀，强烈压缩附近的大气层产生冲击波，冲击波退化时的声发射，这些声冲击波相互叠加，形成轰轰雷声，这就是雷电。打雷下雨时会和地面之间发生放电现象，与地面上的比较高的建筑物、户外通讯设施等接触，就可能产生电击，形成雷击。一般情况下（80%85%的情况），单次雷击不能将雷云电荷完全释放掉。一个雷闪通常包含多个（几个）雷击，而不是一个单一的雷单次雷击形成一个先导放电，在持续平均约60ms（一般为几毫秒到几百毫秒）的暂停后，另一个先导，即直窜先导，在同一通道连续（而不是逐级）传播，速度为100010000km/s。这种直窜先导没有分支，沿着第一支回击形成的通道反向传播，产生第二次回击,同样的过程一般会重复35次，在单个负极性雷闪中记录到26次回击。雷击主要分成以下三种：直雷击：带电的云层与大地上某一点之间发生凶猛的放电现象；感应雷：由于静电感应作用，带电云层使地面某一范围带上异种电荷；球形雷：发生时只见一个大球在空中漂移，大球的尺寸大约从10到100。1.2雷击的危害强雷暴是一种灾害性天气，雷电会引起雷击火险，由于雷电主要产生于积雨云中，而积雨云是空气强对流的产物，所以电闪雷鸣常伴有大风，阵性降雨或冰雹等恶劣天气，大风刮倒房屋，拔起大树（有时会被雷暴劈开），农作物遭冰雹袭击，暴雨引起山洪爆发、泥石流等地质灾害。雷电功率巨大，会造成重大的危害。雷电的发生会造成树木、房屋、人畜被击毁、烧焦，干扰、中断电讯系统正常工作，甚至会引发石油火灾，造成停电事故，森林失火。世界上每年总有成百上千的人被雷电毙命，被雷电击毁的财产更是难以计数，雷电所造成的人员伤亡和财产损失是触目惊醒的，雷电以其巨大的破坏力给人类社会带来了惨重的灾害，对国民经济和生命安全危害日趋严重。据不完全统计，每年将近有1000人因雷击而死亡，而我国雷击灾害日趋上升。1.2.1雷击灾害数据统计和分析依据雷灾查询数据，结合实际情况对全国雷灾情况进行统计2，做表1如下。根据图表1可以看出，雷击威力很大，伤亡范围比较广，主要在人群比较集中地域，周围有建筑物或易引雷事物。例如：旅游、建筑、交通、人群。表1全国雷击伤亡具体详情统计表排 名序 号时 间市名省名行业损害程度描述12003-8-1杭州浙江省易燃易爆雷击引发爆炸，1公里内门窗皆碎，数10间房子被损，20余位村民受伤。22004-6-26临海浙江人群雷击11人死亡，另有6人陆续死亡，损失惨重。32004-7-23北京北京直辖市建筑数十名在居庸关长城8号遭到雷击，其中4人昏迷，至少15人被击伤。42006-7-15惠州市广东省电力东江发电厂 1号重油罐因雷击引发爆炸，直接经济损失约780万元人民币。52007-5-23重庆市重庆直辖市学生小学遭受雷击，共造成7人死亡，39人受伤。62008-6-23杭州市浙江省交通靠岸的船只被雷电击中，造成了3死4伤的重大雷击伤人事件。72009-6-4佛山市广东省建筑一住宅工地，8名工人突遭雷击当场致4人死亡、1人重伤、1人轻伤。82010-7-13昆明市云南省旅游石林风景区发生雷击意外事件，2死4伤。92011-11-6铜仁市贵州省旅游铜仁梵净山风景名胜区发生雷击事件，导致34人受伤，其中12人重伤。在此筛选了近年来的全国范围内就单次雷灾导致经济损失最为严重的排名前十个例进行分析。表2分别列出了这些例子的具体详情。表2全国雷击灾害经济损失统计表排 名 序 号时 间市 名省 名行 业损害程度描述12002-7-28呼伦贝尔盟内蒙古林业雷灾导致发生大兴安岭火灾，致财产损失至少1亿元之上。22003-7-26绍兴市浙江省未知大范围遭雷击，雷灾经济损失高达2700万元以上。32005-5-25呼伦贝尔盟内蒙古林业森林火灾被毁森林面积16000公顷，雷灾经济损失2905.29万元。42005-6-15扬州市江苏省化工仪征化纤公司遭雷击雷击经济损失3000万元以上。52006-5-4淄博市山东省电力恒台县博汇集团电厂变电站遭雷击，雷灾造成经济损失2070万元。62006-6-21泰州市江苏省未知兴化市周庄镇遭雷击，造成1死5人重伤，5人轻伤，3000间房屋受损。雷灾经济损失2192.14万元。72007-7-14上饶市江西省电力戈阳县电力部门由灾害所致经济损失1300万元，间接经济损失2000万元。82008-7-13株洲市湖南省易燃易爆神福港镇烟花爆竹厂遭雷击，37人受伤。直接经济损失1000万元，间接损失2000万元。92009-3-5深圳市广东省航天机场遭雷击致使68架次航班延误，共19次航班延误，经济损失达6600万元。102010-8-22常德市湖南省工业华耀浆纸有限公司某场突发大火。此次火灾给企业造成了近400万元的经济损失。纵观近年来由于雷灾所致的严重经济损失的最为严重的十起事件，不难发现，此类雷灾主要集中在电力、林业、化工、易燃易爆、交通、金融等行业。且此类灾害的共性多为牵连的区域较广，经济损失大多在2000万元以上，部分省份在发生严重经济损失的同时也包含有特殊的人生伤亡事故，且伤害较为严重。1.2.2危害的几种方式在户外，人和动物不仅易受直击雷伤害（尤其是站立时），而且也易受侧雷击、感应放电、跨步电压和接触电压的伤害。1.2.2.1侧击侧雷击是雷击的一种，就是从侧面打来的，因为建筑物比较高，顶避雷并不能完全保护住楼体，所以侧面雷击就需要加设保护。1.2.2.2感应雷击由于雷电而引起的静电感应和电磁场感应所产生的的雷击称为感应雷击，又称为二次雷击。一般来说，感应雷击没有直击雷击那么猛烈，但发生的几率比直击雷高的多，危害也越来越大，越来越来突出。必须避开所有不受保护的构筑物。最好不适用小型孤立建筑作为雷电的避难所，也不要使用金属屋顶与地面绝缘的建筑物来避雷，比如支撑柱不导电的房屋（电容耦合引起的放电）。1.2.2.3跨步电压雷击地面时，雷电流通过各层土壤扩散。在雷击点会引起很大的电位上升。靠近这一点可能会产生跨步电压。尤其是四足动物将会触电死亡，因为前腿和后腿之间存在电位梯度差。人两脚并立可能会遭受雷击，通过身体电流会流过心脏。当行走时，可能会因跨步电压而受电击，如果地面电阻率较高，距离雷击点较近，两脚之间的距离较大，则情况更加危险。1.2.2.4接触电压不仅要避免侧击，而且要避免接触电压引起的触电风险。事实上，当人的脚与充分导电的地面接触，同时触摸到处于不同电位的导电建筑物时，会发生的触电，这种电位差是由于雷击建筑物或其防雷系统造成的。1.3雷击的防御1.3.1建筑物及其他构筑物的雷电防护建筑物或其附近的云地放电可能会对建筑物、建筑物内的物品和人产生损害，必须采取雷电防护措施。是否采取安装防雷措施，根据全面保护效率来确定。是每年建筑物受直接雷击次数（与地面雷击密度和雷击建筑物的截收面积有关），设备损坏的可接受最大平均年雷击次数。我们把全面保护效率E定义为： E=1-(/）当<，没有必要安装防雷装置，尽管它可以作为预防性措施；而当>时，应根据所需的防护级别选择安装防雷设置。国际标准IEC6230516定义了四种类型的保护（、）。每一种对应一组建筑方面的规定，并且与防护水平（、）相对应。第一步是把全面保护效率定为98%（级）、95%（级）、90%（级、80%（级）。要获得98%（级）的防护水平，必须采用一些额外的防雷措施。对某一防护水平，规定了一组雷电流的最小值和最大值。雷电流峰值的最大值设为级200kA（99%雷击电流低于此值）、级150kA(98%雷击电流低于此值）、级和级的100kA（97%雷击电流低于此值）。雷电流峰值的最小值与防雷保护系统设计中滚球法（它的计算原理为以某一规定半径R的球体，在装有接闪器的建筑物上滚过，滚球体由于受建筑物上所安装的接闪器的阻挡而无法触及某些范围，把这些范围认为是接闪器的保护范围。）的应用有关：它们定为级3kA（99%雷击的电流超过此值，R=20m），级5kA(97%的雷击电流超过此值，R=30m），级10kA（91%的雷击电流超过此值，R=45m），级16kA（84%的雷击电流超过此值，R=60m).不难估算最小值和最大值之间的电流概率，并根据所选的防护水平对应的值确定保护措施。最主要的是外部防雷装置。外部防雷装置应确保对人、建筑物和其他构筑物的有效保护。雷电防护装置的类型和部件安装应满足保护效率以及审美要求，并尽可能降低成本。外部防雷装置包括：接闪器（水平网状金属导体、垂直避雷针、悬挂在独立塔上的架空线）；引下线（一般是垂直金属导体，将接闪器与接地极或测试断接卡相连接）；高层建筑上用于等电位连接的环形导体（金属导体围绕建筑物形成水平环路，保证引下线的电气等电位）；测试断接卡（引下线上可拆除的、以便测量接地极电阻的部分）；接地装置（埋在地下的金属导体，确保与地的电气接触），垂直接地极和环形接地极（基础接地极或链接两个或多个接地极的环形导体，一般围绕被保护建筑物）。必须通过螺栓连接或焊接保证雷电防护系统不同部件之间的电气连续性。当符合雷电防护系统部件要求（电气连续性、足够的厚度）时，自然部件可以作为接闪器的部件。根据所选的防护水平（滚球半径R=20m、30m、45m或60m分别用于防护水平、或），用电气几何模型确定接闪器布置。也可以再屋顶上安装方形的金属网格，网格尺寸为：5m（级）、10m（级）、15m（级）或25m（）。外部防雷装置的布置必须在新建建筑物设计的早期阶段考虑，以便利用建筑物本身金属部件，包括它的基础。1.3.2基本安全防护措施 1.3.2.1 户外基本措施 远离建筑物的避雷针及其接地引下线，远离各种天线、电线杆、高塔、烟囱、旗杆、铁栏、铁丝网及其他金属物，山丘、海滨、河边、池塘边。不要站在树林边缘，最好选择林中空地，双脚合拢，与四周各树保持差不多的距离。在山区，应快速离开山顶，远离墙、裂缝、边缘、凸出部分、大树。不要接触金属物。最好蜷缩身体以减小人体表面积。应远离水上运动：不要玩冲浪、划艇或游艇。除非这些设备有起避雷针作用的外部金属构件，其下部没入水中，可以提供充分的保护。雷暴发生时不要靠近河流，更重要的是不要在雷暴时游泳。在市区，应赶紧到商店等有良好防护的公共建筑物内躲避。如果在雷暴发生时你必须行进，应小步前进或者跑起来（这种情况下只有一只脚接触地面），避免展开凸出的金属物体（如雨伞）。避免骑马、及自行车或摩托车、开敞篷车、开牵引拖拉机或收割机。1.3.2.2 居家防护措施在家里，建议把门窗关好以防气流，应坐在远离火炉或其他烟囱的桌边。应该拔掉电器插头、电视天线或通信电缆（即使这些线缆是埋地敷设的！）不要使用有线电话通话。远离电线、通信线、水或煤气金属管线以及家用电器（榨汁机、洗碗机、电热器等）。雷暴时不要洗碗。1.3.2.3 在交通工具中的措施使用宿营帐篷或房车时，应注意将全部需包围保护空间的金属导体正确接地。当车窗摇起，没有外部天线时，金属汽车构成了良好的防护（法拉第笼）。汽车是良好的电导体，可以为乘客提供对雷电的良好防护。但仍建议在雷暴发生时小心驾驶（速度适中）以避免因雷击受惊而引起不可控制的摆动。在金属外壳的飞机或火箭中，飞行员和乘客因处于法拉第笼中而受到保护。科学家已经证实飞机和火箭各端部会发生雷电放电。飞机易受强烈下降气流控制而撞向地面，特别是在积雨云边缘。飞行员必须避开这类危险空域。2.雷击的利用在雷电发生时，它会在瞬间释放出拥有巨大能量的强电流。雷云之间, 雷云与大地之间的电压可达几十亿伏特, 放电电流可达几十万安培, 巨大的放电功率可使放电区域高达1.7×1043×104, 这个温度是太阳表面温度的35倍。据科学家测算，一次强烈雷电的电能，足以牵引一列14节车厢的火车行进200千米，或点亮300万盏电灯。又有人指出，若闪电两端的电压为1000万伏，闪电中的电流为2万安培，在闪电发生的那一瞬间，它的功率可达2亿千瓦。而我国葛洲坝水力发电站的功率仅为270万千瓦；也就是说，一次雷电瞬时的能量，相当于74 个葛洲坝发电站的发电能力。据大量观测资料估计，全球平均每天有超过100万次的雷电发生，据此估算，每天将会有巨大的能量被雷电释放出来。因此，利用高新科技进行人工监测和控制雷电，进而让雷电造福人类。2.1人工引雷人工引发雷电时在适宜的雷暴条件下将雷电引发到地面,可以有效的避免雷击带来的危害。雷电发生前，云层中的电场将会影响地面上的电场，所以根据地面上的电场强度，可以大概推断云层中的电场强度，以确定“触”雷时间。常用的引雷技术：火箭导线人工引雷技术。用于人工引雷的火箭导线技术指的是向雷暴云发射一尾部拖一细长导线的小型火箭来触发闪电。2.2制造氮肥空气中有五分之四是氮气，每一立方公里的空气中就有75吨氮气，而雷电产生的高温高压正是制造氮肥的条件。发生雷电时，大气中的闪电通道可达几千米长，温度极高，有大量的氮和氧化合生成二氧化氮。生成的二氧化氮溶解于雨水中，变成氮肥，利于生产。2.3以雷防雹为了防止冰雹造成的危害，在有可能产生冰雹的云层中，诱发雷电，让巨大的能量和极高的温度来摧毁冰雹，使其转变成雨滴，这样就可以避免雹灾带来的巨大危害。2.4勘探矿物雷电容易击易带电的物体，所含有金属或石油的地方，其导电性就会比一般岩层好，所以，根据雷电发生的次数统计，经常遭到雷电打击的地区，就可能埋葬着丰富的矿物或石油。3.新的前沿 在雷雨云之上，对流层顶和中间层顶之间的发光现象有待全面科学的解释，其中多数现象与极强的雷电放电有关，这些发光现象包括浅红色淘气精灵、红色精灵和蓝色喷流。这些发光现象有时也被称为中间层和平流层的巨雷电。传统雷电是如何产生这些高层空间发光现象的？测试新型低可见光成像系统时发现了红色精灵，它们的持续时间为10300ms，直径150km。有研究提出假设，认为它们与能量高于1MeV的逃逸电子雪崩有关，这种电子雪崩可能由中间层和平流层的宇宙射线触发。它们与周围空气分子相互作用，产生X射线和二次伽玛射线。海拔50km的圆锥形蓝色喷流，以及半径达100km的蝶形淘气精灵。淘气精灵径向高速扩展，持续几毫秒。 法国原子能委员会（CEA）和法国国家空间研究中心（CNES）曾通过国际空间站作过几年大量观察，以确定这些现象释放的能量，并记录发生频度和全球分布的统计数据。近期将发射名为“塔拉利斯”（分析雷电和精灵的工具）的微型卫星来尽可能接近地观察这些现象。 瞬态发光现象是否改变了地球大气中的化学组成成分？它们是否对气候产生重大影响？它们是否影响臭氧层？人类在不久的将来会找到这些重大问题的答案。4.总结本文通过雷电的特点对防御雷电进行了系统的介绍，通过全国每年严重的雷电灾害数据以及每次雷击所放出的巨大能量所造成的严重伤亡事故来说明雷电的危害。同时雷电的巨大能量又能供我们利用。一方面详细的介绍了不同环境下我们采取的防御雷击的措施和建筑物的防御的防护措施，另一方面又阐述了雷电给我们带来的利益。因此我们应该更深入的研究雷电，才能更好的防御雷电进而利用雷电。然而还有很多问题仍然有待科学研究人员去解决。例如：我们还没有充分的自然雷电实验数据。雷电的不同物理过程是什么？回击是如何形成的？雷电和环境现象之间的关系是什么？如何收集雷电？收集雷电的容器需要的材料？等等。相信解决了这些问题，我们会更好的防御和利用雷电。【精品文档】第 10 页