雷电

简介

雷电是伴有闪电和雷鸣的一种雄伟壮观而又有点令人生畏的放电现象。雷电一般产生于对流发展旺盛的积雨云中，因此常伴有强烈的阵风和暴雨，有时还伴有冰雹和龙卷风。

雷电

积雨云顶部一般较高，可达20公里，云的上部常有冰晶。冰晶的凇附，水滴的破碎以及空气对流等过程，使云中产生电荷。云中电荷的分布较复杂，但总体而言，云的上部以正电荷为主，下部以负电荷为主。因此，云的上、下部之间形成一个电位差。当电位差达到一定程度后，就会产生放电，这就是我们常见的闪电现象。

闪电的的平均电流是3万安培，{zd0}电流可达30万安培。闪电的电压很高，约为1亿至10亿伏特。一个中等强度雷暴的功率可达一千万瓦，相当于一座小型核电站的输出功率。放电过程中，由于闪电通道中温度骤增，使空气体积急剧膨胀，从而产生冲击波，导致强烈的雷鸣。

带有电荷的雷云与地面的突起物接近时，它们之间就发生激烈的放电。在雷电放电地点会出现强烈的闪光和爆炸的轰鸣声。人们见到和听到的闪电雷鸣是大气中的一种自然现象。

雷电种类

雷电分直击雷、电磁脉冲、球形雷、云闪四种。其中直击雷和球形雷都会对人和建筑造成危害，而电磁脉冲主要影响电子设备，主要是受感应作用所致；云闪由于是在两块云之间或一块云的两边发生，所以对人类危害最小。

直击雷就是在云体上聚集很多电荷，大量电荷要找到一个通道来泄放，有的时候是一个建筑物，有的时候是一个铁塔，有的时候是空旷地方的一个人，所以这些人或物体都变成电荷泄放的一个通道，就把人或者建筑物给击伤了。直击雷是威力{zd0}的雷电，而球形雷的威力比直击雷小。

雷云形成

产生雷电的条件是雷雨云中有积累并形成极性。科学家们对雷雨云的带电机制及电荷有规律分布，进行了大量的观测和试验，积累了许多资料，并提出各种各样的解释，有些论点至今还有争论。

  对流云初始阶段的“离子流”传说

大气中存在这大量的正离子和负离子，在云中的雨滴上，电荷分布是不均匀的，最外边的分子带负电，里层的带正电，内层比外层的电势差约高0.25V。为了平衡这个电势差，水滴就必须优先吸收大气中的负离子，这就使水滴逐渐带上了负电荷。当对流发展开始时，较轻的正离子逐渐的被上升的气流带到云的上部；而带负电的云滴因为比较重，就留在了下部，造成了正负电荷的分离。

  冷云的电荷积累

当对流发展到一定阶段，云体伸入0℃层以上的高度后，云中就有了过冷水滴、霰粒和冰晶等。这种由不同相态的水汽凝结物组成且温度低于0℃的云，叫冷云。冷云的电荷形成和积累过程有如下几种：

①过冷水滴在霰粒上撞冻起电

在云层中有许多水滴在温度低于0℃时也不会冻结，这种水滴叫过冷水滴。过冷水滴是不稳定的，只要它们被轻轻地震动一下，就马上冻结称冰粒。当过冷水滴与霰粒碰撞时，会立即冻结，这叫撞冻。当发生撞冻时，过冷水滴外部立即冻成冰壳，但它的内部仍暂时保持着液态，并且由于外部冻结放的潜热传到内部，其内部液态过冷水的温度比外面的冰壳高。温度的差异使得冻结的过冷水滴外部带上正电，内部带上负电。当内部也发生冻结时，云滴就膨胀分裂，外表皮破裂成许多带正电的冰屑，随气流飞到云层上部，带负电的冻滴核心部分则附在较重的霰粒上，使霰粒带负电并留在云层的中下部。

②冰晶与霰粒的摩擦碰撞起电

霰粒是由冻结水滴组成的，成白色或乳白色，结构比较松脆。由于经常有冷水滴与它撞冻并释放潜热，它的温度一般比冰晶高。在冰晶中含有一定量的自由离子（OH-和H+），离子数随温度升高而增多。由于霰粒与冰晶接触部分存在着温度差，高温端的自由离子必然要多于低温端，因而离子必然从高温端向低温端迁移。离子迁移时，带正电的氢离子速度较快，而带负电的较重的氢氧根离子则较慢。因此，在一定时间内就出现了冷端氢离子过剩的现象，造成了高温端为负，低温端为正的电极化。当冰晶与霰粒接触后，又分离时，温度较高的霰粒就带上了负电，而温度较低的冰晶就带上了正电。在重力和上升气流的作用下，较轻的带正电的冰晶集中到云的上部，较重的带负电的霰粒则停留在云层的下部，因而造成了冷云的上部带正电而下部带负电。

③水滴因含有稀薄盐分而起电

出了上述冷云的两种起电机制外，还有人提出了由于大气中水滴含有稀薄盐分而产生起电机制。当云滴冻结时，冰的晶格中可以容纳负的氯离子，却排斥正的钠离子。因此，水滴冻结的部分带负电，而未冻结的部分带正电(水滴冻结时是从里向外进行的)。由于水滴冻结而成的霰粒在下落的过程中，摔掉表面还未来得及冻结的水分，形成许多带正电的小云滴，而冻结的核心部分则带负电。由于重力和气流的分选作用，电正点的小滴被带到云的上部，而带负电的霰粒则停留在云的中、下部。

  暖云的电荷积累

在热带地区，有一些云整个云体都位于0℃以上区域。因而只含有水滴而没有固态水粒子。这种云叫暖云或水云。暖云也会出现雷电现象。在中纬度地区的雷暴云，云体位于0℃等温线一下的部分，就是云的暖区。在云的暖区里也有起电过程发生。

在雷雨云的发展过程中，上述机制在不同的发展阶段分别起作用。但是，最主要的带电机制还是由于水滴冻结造成的。大量观测事实表明，只有当云顶呈现纤维状，丝缕结构时，云彩发展成为雷雨云。飞机观测发现，雷雨云中存在以冰、雪晶和霰粒为主的大量云粒子，而且大量电荷的积累即雷雨云迅猛带电机制，必须依靠霰粒生长过程的碰撞、撞冻和摩擦等才能发生。

闪电现象

暴风云通常产生电荷，底层为阴电，顶层为阳电，而且还在地面产生阳电荷，如影随形地跟着云移动。阳电荷和阴电荷彼此相吸，但空气却不是良好的传导体。阳电奔向树木、山丘、高大建筑物的顶端甚至人体之上，企图和带有阴电的云层相遇；阴电荷枝状的触角则向下伸展，越向下伸越接近地面。{zh1}阴阳电荷终于克服空气的阻障而连接上。巨大的电流沿着一条传导气道从地面直向云涌去，产生出一道明亮夺目的闪光。一道闪电的长度可能只有数千米，但最长可达数百千米。

闪电的温度，从摄氏一万七千度至二万八千度不等，也就是等于太阳表面温度的3~5倍。闪电的极度高热使沿途空气剧烈膨胀。空气移动迅速，因此形成波浪并发出声音。闪电距离近，听到的就是尖锐的爆裂声；如果距离远，听到的则是隆隆声。你在看见闪电之后可以开动秒表，听到雷声后即把它按停，然后以3来除所得的秒数，即可大致知道闪电离你有几千米。

闪电的类型

闪电通常分为无声放电和闪电两类。闪电本身又可以分为片状闪电、线状闪电、链形闪电和球形闪电等。

最常出现的一种无声放电是被叫做“爱尔马圣火”的。由于暴风雨等原因，大气中的电场强度大大地增长起来，在地球表面的突出物体附近，电场强度很容易达到30kV/cm的强度，导致在突出部分发生静寂放电。这是一种并非雷云与大地间放电和没有雷声的闪光现象，实际上就是{jd0}电晕放电。放电时，突出物周围会呈冒烟状或光膜状的放电现象。当电场强度很强时，就会形成单独束状放电，由物体周围放射出来。这种放电现象对电讯系统有干扰。

片状闪电 是出现在云的表面上的闪光，它有时可能是被云块遮没的火花闪电的延光，也可能是在云的上部发出来的丛集的、若隐若现的一种特殊的放电作用的光。这种闪电，表示云中电场的能量虽然已经足够产生放电作用，但是新加入的电量却太少，以致在闪烁放电尚未转变到火花（线状）放电以前，原有的储电量已经用完了。仅仅伴随有片状闪电的雷暴是属于弱的一类，对电力系统一般只会引进不大的感应过电压。

线状闪电 一般都是一种蜿蜒曲折枝义纵横的巨型电气火花，长2-3公里，也有长达10公里的，是闪电中最强烈的一种，对电力、电讯系统及人畜和建筑物等威胁{zd0}。当雷云与大地间或雷云相互间的电场强度由于游离电荷的逐渐累积而增长到足以使空气绝缘破坏的强度（{zg}时可达100kV/m）时，就会产生种强烈的放电现象，在放电的瞬间具有极大的能量，电压可以积累到1,000-100,000kV以上，放电电流可高达数十万安培，而放电时间只不过千分之几秒。线状闪电大多是雷云与大地间的放电，但也有的是雷云之间的放电。这种闪电可以同时击在不同的地方，一般分为前导放电和主放电等阶段。在大多数情况下（约50-70%以上），雷云与大地间的放电过程不是单一的而是多重的，也就是说由若干个先后在同一通道上发展的单一的放电所组成。重复放电的数目一般为1-27次，单次放电的延续时间一般为0.001~0.02秒，各次放电的间隔时间为0.01~0.05秒。

链形闪电 比较罕见，是一条发光的虚线，像一条链子一样，在云与大地间放电或云与云间放电时均可能出现。似乎是介于线状闪电与球形闪电之间的一种过渡形式。

球形闪电 是最奇妙、最罕见和最神秘莫测的一种闪电，由拳头般大小到足球那样大的球形发光体所组成，活动速度不大，可以看到移动，它走的路径极不规则，往往与风向一致，它出现时，常有尖哨声或嗡嗡声，有时会安然地消失，但有时也会发生可怖的爆炸。它消失时，往往留下具有刺激性的轻烟雾。球形闪电存在的时间可由几秒到几分钟，它能在一个地方停留一些时候，一面冒烟，一面发出火花，目前，国际上对于球形闪电也还没有很完善的解释，科学家们仍在研究中。

闪电除了是一种明亮的电气火花以外，同时还伴有强大的响声，这就是雷声。

雷声的大小与闪电的强弱相应，雷不仅仅是由于空气在温度高达18000℃左右的闪电渠道中因突然而强烈的受热和随之而起的急速冷却，致空气因急速膨胀和压缩的振动而发生的响声；同时雷也是水和空气在高电压（火花）的作用下分解所产生的瓦斯爆炸时发出的声音。由于爆炸波的特性、多次放电和声音来回反射等关系，雷声隆隆不绝。云间放电时，雷声延续的时间比云与大地间放电的时间短。一般一次闪电的雷声平均延续时间约30-40秒，在个别场合下可达到1分钟。

袭击的时间

每时每刻世界各地大约正有1800个雷电交作在进行中。它们每秒钟约发出600次闪电，其中有100次袭击地球。

乌干达首都坎帕拉和印尼的爪哇岛，是最易受到闪电袭击的地方。据统计，爪哇岛有一年竟有300天发生闪电。而历史上最猛烈的闪电，则是1975年袭击津巴布韦乡村乌姆塔里附近一幢小屋的那一次，当时死了21个人。

雷电发生的频率与特性

在任何给定时刻，世界上都有1800场雷雨正在发生，每秒大约有100次雷击。在美国，雷电每年会造成大约150人死亡和250人受伤。全世界每年有4000多人惨遭雷击。在雷电发生频率呈现平均水平的平坦地形上，每座300英尺高的建筑物平均每年会被击中一次。每座1200英尺的建筑物，比如广播或者电视塔，每年会被击中20次，每次雷击通常会产生6亿伏的高压。

每个从云层到地面的闪电实际上包含了在60毫秒间隔内发生的3到5次独立的雷击，{dy}次雷击的峰值电流大约为2万安培，后续雷击的峰值电流减半。{zh1}一次雷击之后，可能会有大约150安培的连续电流，持续时间达100毫秒。

经测量，这些雷击的上升时间大约为200纳秒或者更快。通过2万安培和200纳秒，不难计算得到dI/dt的值是每秒10^11安培。

雷电的危害

长期以来，雷电一直以直击雷的形式给人类及地球上的生物以及人类文明带来灾难性的打击。雷电灾害已被联合国有关部门列为最严重的十种自然灾害之一，被中国电工委员会称为“电子时代的一大公害”。

雷电产生的高温、猛烈的冲击波以及强烈的电磁辐射等物理效应，使其能在瞬间产生巨大的破坏作用。常常会造成人员伤亡，击毁建筑物、供配电系统、通信设备、引起森林火灾，造成计算机信息系统中断、仓储、炼油厂、油田等燃烧甚至爆炸，危害人民财产和人身安全，对航空航天等运载工具也威胁很大。

据统计，闪电的受害者有2／3以上是在户外受到袭击。他们每3个人中有两个幸存。在闪电击死的人中，85%是女性，年龄大都在10岁至35岁之间。死者以在树下避雷雨的最多。

中国是一个多自然灾害的国家，跟地理位置有着不可分割的关系，雷电灾害在中国也有不少，最为严重的是广东省以南的地区，东莞、深圳、惠州一带的雷电自然灾害已经达到世界之最，这些地方也是因为大气层位置比较偏低所造成的影响。广东东莞雷电灾害严重，雷电所带来的经济亏损在夏季5-8月之间，东莞当季的GDP比例亏损度接近6%，上千万的经济亏损，也是一大严重的自然灾害多发区域。多起雷电伤人事件在东莞地区每年都会发生，达到了全世界雷击人事件最频繁，最多的地区。在中国，乃至全世界的雷电受灾重区之一。

防御措施

  建筑物防御

现代防雷技术原则强调全方位防护，综合治理、层层设防，把防雷看做是一个系统工程。主要有以下五个防雷措施：

1、搭接，或称为均衡连接、等电位连接。就是把各种金属物用粗的铜导线焊接起来，或者把它们直接焊接起来，以保证等电位。等电位连接是防雷措施中极为关键的一项。完善的等电位连接，还可以xx因地电压骤然升高而产生的“反击”现象，这在微波站天线塔遭遇到雷击后是常常遇到的。

2、传导，即避雷针装置。避雷针就是一个接地的金属装置，xx比建筑物顶端更高，吸引闪电，把闪电的强大电流传导到大地中去，从而防止闪电电流经过建筑物。避雷针虽然能保护建筑物，但引导入地的导线流有巨大电流，会产生电磁场，也可以损害设备，所以该措施必须与其他防雷措施廉静儿起来，才是xx之策。

3、分流。把凡是从室外来的导线（包括电力电源线、电话线、信号或者这类电缆的金属外套等）都要并联一种避雷器至接地线。不仅入户处，在每个需要作防雷保护的一起设备的机壳处都要装。作用是把沿着导线传入的雷电波在避雷器处经避雷器分流入地，也就是类似把雷击电流的所有入侵道路堵截，而且不是一级堵截，可以多节堵截。

4、接地。前面三个措施，都涉及到闪电能量泻放入地，所以接地是前三个措施的基础，接地的妥当与否，成为历来防雷技术中特别受重视的项目。它又是最费工、费钱、费力的防雷措施，是防雷工程的重点和难点。

5、屏蔽。就是用金属网、箔、壳、管等导体把需要保护的对象包围起来，从屋里上说，就是把闪电的脉冲电磁场从空间入侵的通道阻隔起来，力求无缝隙可钻。各种屏蔽都必须妥善接地。以上这五项措施是一个有机联系的整体防卫体系，全面措施才能达到万无一失的效果。

  日常雷电防御

除对建筑物等固定地方的防护外，人类自身的防护也是非常重要的，日常预防雷电的措施有以下方面：

1、留在室内并关好门窗，在室外工作的人应躲入建筑物内。

2、不宜使用无防雷措施或防雷措施不足的电视、音响等电器，不宜使用水龙头。

3、切勿接触天线、水管、铁丝网、金属门窗、建筑物外墙，远离电线等带电设备或其他类似金属装置。

4、减少使用电话和手机。

5、切勿游泳或从事其他水上运动或活动，不宜进行室外球类运动，如遇雷电应立即离开水面以及其他空旷的场地，寻找地方躲避。

6、切勿站立于山顶、楼顶或接近导电性高的物体。

7、切勿处理开口容器盛载的易燃物品。

8、在旷野无法躲入有防雷设施的建筑物内时，应远离树木和桅杆。

9、在空旷场地不宜打伞、不宜把锄头、铁锹、羽毛球拍、高尔夫球杆等扛在肩上。

10、不宜进入无防雷设施的临时棚户、岗亭或低矮建筑。

11、不宜开摩托车、骑自行车。

智能避雷技术

由中国科学院研究员、国际宇航科学院院士在国际上首次提出了通过xx雷击危险性，使保护目标不再遭受雷击的新一代避雷技术，称为“智能避雷技术”。以原中国科学院空间中心电学组专家团队，经过十多年的潜心研究开发，从理论分析、模拟计算、实验测试、模型实验、工程实用化研究、外场实验等各个角度和方法的研究，都证明了这一技术的合理性和可行性。期间经多次大小各类专家会议的评审鉴定，得到充分肯定，被誉为“21世纪防雷事业的曙光”。

雷电统计的概念

雷电次数——当雷暴进行时，隆隆的雷声持续不断，若其间雷声的时间间隔小于15分钟时，不论雷声断续传播的时间有多长，均算作是一次雷暴；若其间雷声的停息时间在15分钟以上时，就把前后分作是两次雷暴。

雷电小时——就是说在该天文小时内发生过雷暴，更通俗些说是在这个时间里曾听到过雷声而不论雷暴持续时间的长短如何。某一地区的"年雷电小时数"也就是说该地区一年中有多少个天文小时发生过雷暴，而不管在某一小时内雷暴是足足继续了一小时之久，还是只延续了数分钟。

雷暴日数——也叫做雷电日数。这是我们所最熟悉的。只要在这{yt}内曾经发生过雷暴，听到过雷声，而不论雷暴延续了多长时间，都算作一个雷电日。"年雷电日数"等于全年雷电日数的总和。

雷暴月数——也叫做雷电月数，即指在这一个月内曾发生过雷暴。"年雷暴月数"也就是指一年中有多少个月发生过雷暴。

闪电与打雷为什么“不同时发生”

闪电和雷声是同时发生的，但它们在大气中传播的速度相差很大，因此人们总是先看到闪电然后才听到雷声。光每秒大约能走30万公里，而声音只能走340米。根据这个现象，我们可以从看到闪电起到听到雷声止，这一段时间的长短，来计算闪电发生处离开我们的距离。假如闪电在西北方，隔10秒听到了雷声，说明这块雷雨距离我们约有3400米远。

闪电离我们有多远

闪电距离近，听到的就是尖锐的爆裂声；如果闪电距离远，听到的则是隆隆声。你在看见闪电之后可以开动秒表，听到雷声后即把它按停，然后以3来除所得的秒数，即可大致知道闪电离你有几千米。如时差为3秒，则闪电在一千米外。