第七章、闪电(2)地闪放电过程.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,地 闪 概 况,成都信息工程学院 佘会莲,负地闪各阶段放电特征,预击穿过程,梯级先导,连接过程,回击,箭式先导,连续电流,M,分量,J,变化,K,变化等,预击穿过程,预击穿过程是地闪通道伸展出云底之前发生于云内的,弱电离过程,电场变化一般可持续几毫秒到几百毫秒，,典型值为几十毫秒,初始击穿过程的脉冲特征,:,初始极性与随后的地闪回击电场变化极性相同，总体形状以双极性为特征,初始击穿发生于,主负电荷区和云下部的正电荷区之间,，而且放电过程好象,开始于正电荷中心,，然后向上发展至负电荷区。,预击穿过程发生于被地闪输送到地面的云内负电荷所在的高度上，,位于海拔,6-8km,的高度,利用,VHF,窄带干涉仪分别对地闪和云闪的初始预击穿过程进行了分析，发现预击穿过程,起始于负电荷区域,，但是地闪的初始击穿向下发展，而云闪则向上发展。两种情况下的发展速度都为,1-3,10,5,m/s,问题：在对预击穿过程的研究中，首先应该搞清楚它起源于何处？中和的电荷源在哪里？,梯级先导（,stepped leader,）,电场特征,先导分类,先导电流,先导电荷,先导始发理论,先导静电学模式,梯级先导的一般特征,先导的速度,梯级长度,通道直径,持续时间,脉冲特征,梯级先导的一般特征,表现为一条暗淡的光柱像梯级一样逐级伸向地面，这称之为梯级先导。,在每一梯级的顶端发出较亮的光，梯级先导在大气体电荷随机分布的大气中蜿蜒曲折的进行，并产生许多向下发展的分枝。,闪电,a,回击前,5ms,梯级先导放电通道发展,闪电,b,梯级先导与首次回击,根据条纹照相得到的梯级长度和向地面传播的速度，,Schonland(1938),将梯级先导分为,和,两种类型。,型先导,向地面的传播速度稳定，约为,10,5,m/s,，梯级长度和发光强度变化不大，但比,型先导的长度短，而且亮度也较弱。,型先导的梯级长度为,10,200m,，梯级间的时间间歇为,37,124ms,。通常梯级间的间歇越长，随后的梯级长度也越长。,型先导,以较长、较亮的梯级开始，向地面传播的平均速度为,10,6,m/s,，在云底附近有较多的分叉，而当其接近地面时，则与,型先导类似。,梯 级 先 导 类 型,先 导 参 数,速度：,梯式先导的平均传播速度为,3.0,10,5,m/s,左右，其变 化范围,1.0,10,5,m/s,至,2.6,10,6,m/s,左右，梯式先导有多个单级先导组成，而单个梯级的传播速度则快的多，一般为,5,10,7,m/s,左右；,长度,：单个梯级的长度平均为,50m,，其变化范围为,30120m,左右。,直径,：通常发光梯级先导的直径为,1,10m,，先导的电荷也包含在几乎同样尺寸的通道中,先导电流：,先导电流应该流动在直径为几毫米的中心核内。梯级先导的平均电流为,50,63A,。,先导电荷：,梯级先导的总电荷为,10,20C,，由此得到的单位梯级长度的平均电荷为,10-30C/m,。,先导持续时间,梯级先导的电场脉冲和梯级,电场反号距离,近距离电场变化为负值,远距离电场变化为正值,先导的始发理论,引路先导模式（,Schonland,）,认为先导通道是一个半径为,1m,径向特性均匀的柱体，,电晕电弧转化模式（,Bruce,）,把先导通道看成是一个由电晕壳包围的中心弧核,1,Schonland,的引路流光理论,Schonland,（,1938,，,1953,，,1956,）在最初对先导机制的讨论中认为梯级先导是一个径向特性均匀半径为,1m,的柱形通道。之后，,Schonland,（,1962,）又提出了更进一步的先导模型，即在先导通道中心存在一个与电弧相似的细导电核，导电核被一个半径为几米的电晕壳所包围。先导电流主要在核内流动，而先导电荷则由电晕壳所携带。,第一阶段：弱电离的引路流光以,1.5,10,5,m/s-8.0,10,5,m/s,的速度前进,10-80m,的距离。,第二阶段：在引路流光前进期间保持静态的高度电离先导突然前行，并形成一个快而亮的梯级。梯级的速度超过,5,10,7,m/s,，持续时间为,1s,量级。在到达引路流光根部时，先导停止，而流光又开始了下一次的发展。,击穿可以分为两个阶段,2.,Bruce,电晕电弧转化理论,强调了电晕电流的重要性，认为梯级的产生是由于发生了电晕到电弧的突然转化。由于先导尖部的高电场，使通道前面的那些区域处于毛刷状或辉光放电状态，由于通道核心和周围空间之间存在很高电位差，在核心周围将产生径向电晕放电，单位长度上的电晕电流随着辉光放电长度的增加而增加，当达到临界电流,I,T,100A/m,，就转化为具有弧光特性的放电通道，此放电通道的延伸，就形成了明亮梯级,先导的静电学模式,1,、源电荷模式,2,、不荷电双向先导模式,一个发展完善的先导通道可以等效为一个位于地表上空均匀带电的垂直线电荷,1.,源电荷模式,2,、不荷电双向先导模式,Kasemir,将静电学基本原理应用于闪电现象中，认为闪电可以等效为环境电场中的一个导体，从而提出并发展了双向发展、整体不荷电先导模式的概念,D,处的地面电场变化,连接过程,在雷电防护设计中一个重要的参量,闪击距离指连接先导从被雷击物体上激发出来的瞬间,被雷击物体和下行先导之间的距离。,闪击距离,下行的梯级先导传播至地面几十米的范围内时，先导头部电荷产生的局地电场将由于地面上的电导物体存在而增强，而地面或地面的突出物体上也将产生向上的迎面先导，当二者相连接时，将导致强的放电过程即回击的产生。先导和回击之间的过程被称为,连接过程。,回击,(Return Stroke),辐射电磁场、,回击电流、,回击速度、,发光和光谱,以及回击模式等,回 击 电 磁 场 特 征,几公里之内的回击电场以静电场为主，它在回击电流停止流动后不会马上变为零。,近距离的磁场同样也以静磁场为主。远距离的电场和磁场有类似的波形，为弧形双极性波形。,一次负地闪首次回击和继后回击的辐射场波形的精细结构,上升阶段按其上升速率可分为两种不同的过程,慢前沿过程（,slow,front,），,快变化部分,(fast,transition),。,回击振幅谱,回 击 电 流,一般认为首次回击的峰值电流平均值为,20,40kA,，,200kA,的发生几率为,1,。继后回击的峰值电流分布与首次回击类似，但大小差不多为首次回击的一半。,（,1,）幅值：,指雷电的脉冲电流达到的最高值。其值不同地方差异很大。我国雷电流幅值大小的经验计算公式,P,为出现雷电流大小幅值的概率,地闪电流波形及参量：,（,2,）波头（峰值时间,t1,）：指雷电的脉冲电流上升到幅值的时间。一般在,1 5 us,，,国际标准规定为,1.2 us,（,3,）波长（半峰时间,t2,）：指雷电的脉冲电流持续到波形曲线衰减到半幅值所需要的时间,一般在,20 100 us,，,我国标准规定为,50 us,。,单极性雷电流脉冲波形可计为,t1/t2,，,例,1.2/50 us,。,（,4,）陡度（电流上升率）：雷电流随时间上升的变化率。用幅值和波头的比值来表示雷电流的平均陡度。,例,a,=,I,m,/1.2,（,KA,/,us,）,标 准 波 型,上述几项数字极为重要。,峰值电流,反映出闪电的能量和机械破坏力的大小。,电流上升率,反映闪电的脉冲 电磁辐射的作用大小，在当今雷电灾害的研究和雷电防护上特别重要。考虑微电子设备的防雷及易燃易爆物仓库的防火等，需要特别重视这个参量。,半峰值时间,反映 了雷电作用的持续时间，半峰值时间较长 的闪电易产生火灾。,t1,/,t2,波形,：,1.2/50s,波形,.,回 击 速 度,主通道顶部的回击速度为,5,10,7,m/s,，在到达每一个分叉点时速度迅速减小，相关的通道亮度也快速减小，通道底部的首次回击速度接近,1,10,8,m,/s,。,直窜先导,(Dart Leader),和直窜,-,梯级先导,直窜先导,表现为一根发亮的细线，或者象几十米长的箭一样向地面传播，通常没有分叉,直窜先导向地面输送约,1C,的电荷，电流为,1kA,。,直窜先导得到的平均长度为,50m,，分布在,15,90m,的范围内,不同作者得到的直窜先导传播速度分布范围一致：下限为,1,3,10,6,m/s,，上限为,21,23,10,6,m/s,直窜梯级先导,当回击之间的时间较长时，直窜先导将从连续移动的先导转化为梯级先导,相对于首次回击前的梯级先导而言，速度相对较快，梯级长度相对较短，梯级间的间歇时间也相对较短。,直窜梯级先导的的梯级长度为,10m,左右，梯级间的时间间隔约为,10ms,梯级先导,回击与直窜先导,回击,直窜先导,回击一般没有分叉。直窜先导的电场变化一般持续时间为,1ms,，其引导的继后回击电场变化与首次回击类似，,一般认为继后回击比首次回击弱,2,倍左右。近来越来越多的研究表明，至少在,1/3,的闪电中，有一次或一次以上的回击过程比首次回击强,首次回击和继后回击,闪,电,a,首次回击,继后回击,R2,闪 电,a,继后回击,R4,的直窜先导与连续电流的部分发光图像,继后回击,R3,的直窜先导与连续电流的部分发光图像,闪 电,a,继后回击,R2,的光学图像,闪 电,C,首次回击的光学图像,回 击 模 式,回击的数学模式基本可以分为三类：,1,最复杂的模式通常以质量、动量和能量守恒方程，状态方程和麦克斯韦尔方程来表述通道的详细物理过程。,2,第二类模式是将回击通道等效为,R-L-C,传输线，其电路元件可以随高度和时间而变化,3,第三类模式也是最常用、最简单的模式，被称为传输线模式。,线传输模式,假定地面为一无限大理想电导平面,采用柱坐标系,回 击 间 的 过 程,一、,连续电流,continue current,二、,J,过程,三、,M,分量,四、,K,变化,连 续 电 流,地闪的连续电流过程是雷暴云中局地荷电中心在闪击之后沿闪电通道对地的持续放电过程，它可引起慢而大幅度的地面电场变化，且云下的闪电通道持续发光。,连续电流分为两类：,一是长连续电流，持续时间超过,40ms,，,二是短连续电流，持续时间小于,40,ms,。,根据闪电所包含的连续电流的情况，给出了两个定义：,一是,“,混合,(Hybrid),闪电,”,，指包含至少一个长连续电流的闪电。,二是,“,分离（,discret,）闪电,”,，指没有长连续电流存在的闪电，但可以包含短连续电流。,连续电流引起的,电场变化,与之前回击过程电场变化的极性一致，而且伴随有,连续的发光,。,在垂直闪电通道和单极电荷模式假定下，发现连续电流的电荷源在云中呈水平分布，并与回击电荷在相同的高度上。连续电流大小在,50,580A,之间，而且连续电流在开始最大，并随时间逐渐减小。,长连续电流的,持续时间,为平均为,150ms,，有时可达,500ms,。,连续电流所,中和的电荷,高度与回击高度相近，连续电流在,300ms,内向地面输送电荷,26.46C,，,连续电流的特征,首先是因为大部分的闪电包含至少一个短或长连续电流过程。,其次约,50,的闪电包含一次长连续电流过程，这类闪电向地面输送的电荷约为不包含长连续电流闪电的两倍。单次闪击正地闪之后的连续电流过程输送到地面的电荷所占的比例较负地闪中的连续电流要大的多。,含有长连续电流分量的闪电对地面物体的危害为没有连续电流闪电的几倍,，因而被称作,“,热闪电,”,，它常引起森林火灾、金属构筑物的过热损伤或高架输电线的损坏等。,负地闪中的连续电流过程是一个十分重要的过程,J,过程,J,过程是在回击之间发生在,云内,的过程。它以相对稳定的电场变化为特征，持续时间为几十毫秒。,J,过程不伴随有云地之间通道亮度的突然增加。,J,电场变化由于距离的不同可能呈现出不同的极性,M,分 量,M,分量指在回击过程之后通道微弱发光阶段通道亮度的突然增加，并伴随有电场的快速变化,M,分量对应的电场变化被称为,M,变化,M,分量发生在回击过程后电场变化较慢的阶段，,40%,的回击都有,M,分量,M,分量以持续时间较短的,U,形（或钩状）电场变化为主要特征，整个,U,形过程持续,200-800us,K,变化,K,变化指发生在地闪回击之间或最后一个回击之后以及云闪后期相对小的快电场变化,叠加在回击之间或之后及云闪后期的慢电场变化即,J,过程上,在几十公里的距离上，云闪和地闪的,K,变化波形都呈梯级状或者斜坡状,K,变化持续时间的几何平均值是,0.7ms,，,K,变化之间的时间间隔几何平均值为,13ms,。,一般认为，,K,变化不伴随有云地之间明显的通道发光，原因是,K,变化中没有先导到达地面，而只在云内产生电荷的微小调整。,K,变化伴随有发光脉冲，利用照相记录还发现,K,变化还常常与未接地的先导或云下的空气放电相联系,利用电场变化推算的云内放电,K,变化的放电电流为,1-4kA,，通道长度为,1-3km,K,变化对应的反冲流光的传播速度为,1-4,10,6,m/s,K,变 化 特 征,闪电回击后的一次,K-,变化及随后放电过程的部分光学图像,作 业,1.,以负地闪为例，简述闪电的放电过程,2.,简述梯级先导、回击过程的主要特征,3.,简述连续电流的重要特征,