淺析雷云電荷分布結構及地閃的特征

羅佳俊

天津市防雷技術(shù)中心  300074

載要：自然科學(xué)要求所有的理論都必須是通過(guò)反復的實(shí)驗推導出。雷電屬于大氣電學(xué)的一個(gè)分支理論，也不例外。本文將筆者在2007年雷雨季節通過(guò)現有雷電監測儀器監測到的數據和其它監測數據來(lái)分析雷云電荷分布結構和由雷云引起的地閃的一些特征。從而對雷云和地閃有更深刻的了解，并能更好地指導防雷工作。

關(guān)鍵詞：電荷分布    正地閃   負地閃   論證

引言：我國早在公元前1500年的殷商時(shí)代就有關(guān)于雷電的記載。但是各國對雷電的認識和研究，從16實(shí)際才真正的開(kāi)始。從第一個(gè)起電機的創(chuàng )造，到萊頓瓶的發(fā)明，再到富蘭克林風(fēng)箏實(shí)驗引電的成功，對于雷電的研究，人類(lèi)的腳步從來(lái)沒(méi)有停止過(guò)。20世紀上半個(gè)世紀，C.T.R.Wilson通過(guò)制造的毛細管靜電計來(lái)測量閃電時(shí)垂直電場(chǎng)的變化，由此可靠地確定雷暴過(guò)程的云中含電量，并推算出云中電量和電荷的分布。從而揭開(kāi)了雷電神秘的面紗，并初步建立起雷電科學(xué)。進(jìn)入二十世紀末期，隨著(zhù)計算機的發(fā)展，對于雷電的研究進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)期?？茖W(xué)家利用各種電場(chǎng)監測儀、閃電定位儀等各種探測系統，通過(guò)實(shí)時(shí)監測數據，為人類(lèi)更好地研究大氣電學(xué)提供了可靠的資料。本文將從現有雷電監測儀器監測到的數據來(lái)分析雷云電荷分布結構和由雷云引起的地閃的一些特征。

1、概念定義

靜電感應：當某種原因（帶電或置于電場(chǎng)中）使導體內部存在電場(chǎng)時(shí)，自由電子受到電場(chǎng)力的作用而作定向運動(dòng)，使導體一側因電子的聚集而出現負電荷布，另一側因缺少電子而有正電荷分布，這就是靜電感應。大氣電學(xué)中講，由于雷云的作用，使其附近導體上感應出與雷云符號相反的電荷。這種現象稱(chēng)為靜電感應。

地閃：云與大地之間的一種放電過(guò)程。

由于歷史的原因，大家工人的定義是：雷電流的正方向為自云向地，閃電電流為正的地閃稱(chēng)為正地閃。反之，閃電電流自地面指向上方的地閃稱(chēng)為負地閃。電場(chǎng)從高空指向地面的方向規定為正。

2、雷云電荷分布結構的證明

晴天時(shí)地面帶著(zhù)負電荷，而大氣中的電離層含有凈的正電荷，所以大氣中時(shí)刻存在正的電場(chǎng)，稱(chēng)為大氣電場(chǎng)。其方向指向地面,強度隨時(shí)間、地點(diǎn)、天氣狀況和離地面的高度而變。晴天電場(chǎng)是作為參考的正常狀態(tài)的大氣電場(chǎng)。大氣電學(xué)中規定這種指向鉛直朝下的電場(chǎng)為正電場(chǎng)，其梯度稱(chēng)為大氣電勢梯度。晴天電場(chǎng)隨緯度而增大，稱(chēng)為緯度效應。就全球平均而言，電場(chǎng)強度在陸地上為120伏/米左右。但是在發(fā)生雷暴時(shí)，雷云的下端帶負電荷，在靜電感應的作用下，地面附近物體會(huì )帶上相反的電荷，即正電荷，從而形成垂直向上的大氣電場(chǎng)，與晴天大氣電場(chǎng)的方向相反，為負值。當云地之間的電場(chǎng)達到放電時(shí)的臨界場(chǎng)強（約為25～30kv/cm）時(shí)，就會(huì )發(fā)生閃電。

以下圖片是2007年6月27日14：52、14：53和14：55時(shí) 分布在天津市區的7個(gè)大氣電場(chǎng)監測儀實(shí)時(shí)監控采集到的數據。

根據天津市氣象臺雨情公報第34期（2007.6.28）  受高空槽影響，本市昨天白天到夜間普降雷陣雨，雨量分布不均……看出在6月27日，天津市區有雷陣雨。

以上數據表明：①6月27日下雨時(shí)，大氣電場(chǎng)以負電場(chǎng)為主，證明大地表面感應出正電荷，根據靜電感應理論得出在雷云下方帶有大量負電荷，而任何導體都是呈電中性的，因此分析雷云的上部帶有與下部等量相反的正電荷。②在空間電場(chǎng)大于大氣游離放電的臨界強度時(shí)，就會(huì )發(fā)生雷云之間或雷云與大地之間的火花放電，即發(fā)生閃電現象。從圖像上看出，在11：00到12：30左右在民族中學(xué)附近范圍內發(fā)生過(guò)閃電。從作者當天的觀(guān)察天氣記錄和氣象臺公布的雨情公報來(lái)看，當天中午時(shí)段確實(shí)有過(guò)雷閃。而此時(shí)的電氣電場(chǎng)平均值約為-3500kv/m。

3、正地閃、負地閃次數的特征分析

柱狀圖為2007年1～6月每月監測到的正負地閃次數，藍色為負地閃，紅色代表正地閃。黃色曲線(xiàn)圖則是正地閃次數與負地閃次數的比值。由圖4可以看出，在進(jìn)入地閃高發(fā)季節后，負地閃的次數上升較快。而正地閃與之相比變化卻并不是很劇烈。這一點(diǎn)由他們的比值變化表現的更為明顯。在進(jìn)入5月份后，正負地閃數量的比值已經(jīng)下降到了0.1以下。而負地閃占總地閃的比例較大正是夏季雷暴的一個(gè)特點(diǎn)之一。

從以上統計數據可以看出，發(fā)生閃電時(shí)，負地閃多于正地閃。（圖片來(lái)源于中國雷電監測網(wǎng)絡(luò )）

4、正地閃、負地閃的綜合特征分析

以下圖片是2007年7月21日00：00～7月22日15：00湖南省雷電監測產(chǎn)品。

從以上監測結果得出，發(fā)生閃電時(shí)，負地閃多于正地閃。8月21日負地閃所占總閃電次數的94.1％，8月22日負地閃占總閃電次數的87.7%，平均比例為：90.9％。正地閃強度大于負地閃強度。

結論：從雷云中電荷分布結構來(lái)看，云層上部帶大量正電荷，下部帶大量負電荷，所以雷雨云下部以負電荷為主，離地面較近，更容易與大地發(fā)生放電現象，即容易發(fā)生負地閃；而云中的大部分正電荷離地面較遠，相對負地閃而言，對地放電要困難些，所以正地閃的次數少。但是，由于云中的正負電荷量基本相等，所以正地閃必須比負地閃輸送更多的電量，因此，正地閃的電流明顯大于負地閃。

參考文獻：

[1] 梅衛群，江燕如《建筑防雷工程與設計》氣象出版社，2004

[2] 虞昊，《現代防雷技術(shù)基礎》 清華大學(xué)出版社， 2005 第二版

[3] 天津市氣象臺雨情公報第34期（2007.6.28）

[4] 湖南省防雷信息網(wǎng)8月21日—22日全省雷電監測產(chǎn)品