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第14章 雷电的形成

人们通常把产生闪电的云称为雷雨云,其实有好多种云都与闪电有关,如层积云、雨层云、积云、积雨云,最重要的则是积雨云,一般专业书中讲的雷雨云就是指积雨云。云的形成过程是空气中的水汽经由各种原因达到饱和或过饱和状态而发生凝结的过程。形成云的一个必要条件是使空气中水汽达到饱合,它有三种主要的方式:一是水汽含量不变,空气降温冷却;二是温度不变,增加水汽含量;三是既增加水汽含量,又降低温度。

雷电

但对云的形成来说,降温过程是最主要的过程。而降温冷却过程中又以上升运动而引起的降温冷却作用最为普遍。积雨云就是一种在强烈垂直对流过程中形成的云。因为地面吸收太阳的辐射热量远大于空气层,所以白天地面温度升高较多,夏日这种升温更为明显,所以近地面的大气的温度由于热传导和热辐射也跟着升高,气体温度升高必然引起膨胀,密度减小,压强也随着降低,根据力学原理它就要上升,上方的空气层密度相对来说就较大,就要下沉。热气流在上升过程中膨胀降压,同时与高空低温空气进行热交换,于是上升气团中的水汽凝结而出现雾滴,就形成了云。在强对流过程中,云中的雾滴进一步降温,变成过冷水滴、冰晶或雪花,并随高度逐渐增多。在冻结高度(-10℃),由于过冷水大量冻结而释放潜热,使云顶突然向上发展,达到对流层顶附近后向水平方向铺展,形成云砧,是积雨云的显着特征。

积雨云形成过程中,在大气电场以及温差起电效应、破碎起电效应的同时作用下,正负电荷分别在云的不同部位积聚。当电荷积聚到一定程度,就会在云与云之间或云与地之间发生放电,也就是人们平常所说的“闪电”。

雷电因为巨大的破坏力给人类社会带来了严重的灾难,尤其是近几年来,雷电灾害发生频繁,对国民经济造成的危害日趋严重。我们应当加强防雷意识,与气象部门积极合作,做好预防工作,将雷害损失降到最低限度。

雷暴与强对流天气

在春夏之交或炎热的夏天经常出现雷暴,大气中的层结处于不稳定时容易产生强烈的对流,云与云、云与地面之间电位差达到一定程度后就会发生放电,有时雷声隆隆、耀眼的闪电划破天空,常伴有大风、阵性降雨或冰雹,雷暴天气总是与发展强盛的积雨云密切相关。在天气预报中,人们常常说雷雨大风等强对流天气,就是指伴有强风或冰雹这种雷暴天气。由于雷暴的发生发展与积雨云密切相关,从雷暴云的出现到消失,它有极强的局地性和突发性,水平范围只有几千米或十几千米,在时间尺度上也仅有2~3小时,因此,这种中小尺度天气系统在预报上有一定的难度。强雷暴会造成很大的灾害,雷电会引起雷击火险,大风刮倒房屋,拔起大树,果木蔬菜等农作物遭冰雹袭击后损失严重,甚至颗粒无收,有时局地暴雨还引起山洪暴发、泥石流等地质灾害。

雷电灾害

雷电灾害是“联合国国际减灾十年”公布的最严重的十种自然灾害之一。全球每年因雷击造成人员死伤,财产损失不计其数,引起火灾、爆炸,建筑物毁坏等事故频繁发生;从卫星、通信、导航、计算机网络直到每个家庭的家用电器都遭到雷电灾害的严重威胁。据不完全统计,我国每年因雷击造成人员伤亡达3000~4000人,财产损失在50到100亿元人民币。近年来,随着社会经济发展和现代化水平的提高,特别是信息技术的快速发展,城市高层建筑物的日益增多,雷电灾害的危害程度和造成的经济损失及社会影响也越来越大。

雷电在气象学上又被称为雷暴。形成雷暴的积雨云浓密高耸,云顶常有大量冰晶,云内垂直方向的热力对流旺盛发展,频繁发生起电和放电(闪电)现象,其机制十分复杂。在放电过程中,闪电通道上的空气温度急升,空气中水滴汽化膨胀,甚至还有电离现象产生,短时间内空气迅速膨胀,从而产生了冲击波,导致强烈的雷鸣(打雷)。由于云中的电荷在地面上引起感应电荷,使云底与地面之间形成“闪道”。当电荷积累和其他条件(如突出的建筑物、孤立的烟筒和旷地上的人等等)具备时,就会发生闪电击地,即雷击,造成雷电灾害。

富兰克林发明了避雷针以后,在防雷技术方面有了很大的发展,现代防雷技术包括建筑物防雷和电器设备防雷两大部分,强调全方位防护,综合治理,层层设防的原则,把防雷看作是一个系统工程。建筑物防雷,即在楼顶架设相应的避雷针、网带。它直接接闪,牺牲自己保护建筑物。它要求保护范围要能保护到整个建筑物,且接地要良好。电器设备防雷,即各种设备线路布置要合理。在相应的电源线、信号线、天馈线上加装过电压保护器,减少雷电波入侵、雷电感应造成的危害。

雷灾新特点

随着科技的发展,人类社会进入电子信息时代,由于大量电子产业的应用,雷灾也出现了新的特点,以往有极大的不同,表现在:受灾面大大扩大,从电力、建筑这两个传统领域扩展到几乎所有行业,特点是与高新技术关系最密切的领域,如航天航空、国防、邮电通信、计算机、电子工业、石油化工、金融证券等。

雷灾从二维空间入侵变为三维空间入侵。从闪电直击和过电压波沿线传输变为空间闪电的脉冲电磁场从三维空间入侵到任何角落,无孔不入地造成灾害,因而防雷工程已从防直击雷、感应雷进入防雷电电磁脉冲(LEMP)。前面是指雷电的受灾行业面扩大了,这儿指雷电灾害的空间范围扩大了。换句话说,一次闪电可造成多个目标同时受到雷灾,而不是以往的一次闪电只是一个建筑物受损。

雷灾对经济造成的损失和危害程度大大增加,它袭击的对象本身的直接经济损失有时并不太大,而由此产生的间接经济损失和影响就难以估计。例如一九九九年八月二十七日凌晨2点,某寻呼台遭受雷击,导致该台中断寻呼数小时,其直接损失是有限的,但间接损失将大大超过直接损失。

雷灾的主要对象已集中在微电子器件设备上。雷电的本身并没有变,而是科学技术的发展,使得人类社会的生产生活状况变了。微电子技术的应用渗透到各种生产和生活领域,微电子器件极端灵敏这一特点很容易受到无孔不入的LEMP的作用,造成微电子设备的失控或者损坏。

为此,当今时代的防雷工作的重要性、迫切性、复杂性大大增加了,雷电的防御已从直击雷防护到系统防护,我们必须站到历史时代的新高度来认识和研究现代防雷技术,提高人类对雷灾防御的综合能力。

“雷打冬”是怎么回事

有时冬天我们会听到打雷声,这是为什么呢?大家知道,雷雨云中的放电现象会产生雷电。这种云的底部离地面约1千米高,一般云顶带正电荷,云底携带负电荷,相应的地面也产生与云底电荷相反的感应电荷。由于对流作用,云会产生上下运动,云内的冰晶相互摩擦使电荷逐步增多,云的内部、云与云、云与地面之间的同电荷区形成了很强的电场,电场达到一定强度就要相互中和而发生放电,在光的通路上产生高温,使四周空气剧烈受热,突然膨胀,发生巨大的响声,这就是雷鸣。

由雷电的成因可知,雷雨云的形成要具备一定的条件。首先,空气中要有充足的水汽;其次,要有使湿空气上升的动力,空气要能产生剧烈的对流运动。春夏季节,由于受南方暖湿气流影响,空气湿润,同时太阳辐射强烈,近地面空气不断受热而上升,上层的冷空气下沉,易形成强烈对流,所以多雷雨,甚至下冰雹。而冬季由于受大陆冷气团控制,空气寒冷而干燥,加之太阳辐射弱,空气不易形成剧烈对流,因而很少发生雷阵雨,更不要说下冰雹了。但有时冬季天气偏暖,暖湿空气势力较强,当北方偶有较强冷空气南下,暖湿空气被迫抬升,对流加剧,也可形成雷阵雨,暖湿气流特别强,对流特别旺盛,还可形成降雹,出现所谓“雷打冬”的现象。

冬季打雷说明空气湿度大,容易形成雨雪,故有“冬天打雷雷打雪”之说。如果冰雪多,气温低,家畜最易遭受冻害和诱发疾病,重者造成死亡,故又有“雷打冬,十个牛栏九个空”的说法。

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