防雷知識系列二－雷擊閃電的特性

     雷擊閃電的特性
     (1)雷電流的特性
    雷電破壞作用與峰值電流及其波形有最密切的關系。雷擊的發生、雷電流大小與許多因數有關，其中主要的有地理位置、地質條件、季節和氣象。其中氣象情況有很大的隨機性，因此研究雷電流大多數采取大量觀測記錄，用統計的方法尋找出它的概率分布的方法。根據資料表明，各次雷擊閃電電流大小和波形差別很大。尤其是不同種類放電差別更大。為此有必要作如下說明。
    由典型的雷雨云電荷分布可知，雷雨云下部帶負電，而上部帶正電。根據云層帶電極性來定義雷電流的極性時，云層帶正電荷對地放電稱為正閃電，而云層帶負電荷對地放電稱為負閃電。正閃電時正電荷由云到地，為正值，負閃電時負電荷由云到地，故為負值。云層對地是否發生閃電，取決于云體的電荷量及對地高度或者說云地間的電場強度。
    云地間放電形成的先導是從云層內的電荷中心伸向地面。這叫做向下先導。其最大電場強度出現在云體的下邊緣或地上高聳的物體頂端。雷電先導也可能是從接地體向云層推進的向上先導。因此，可以把閃分成四類，只沿著先導方向發生電荷中和的閃電叫無回擊閃電。當發生先導放電之后還出現逆先導方向放電的現象，稱為有回擊閃電。
    上面講到一次雷擊大多數分成3～4次放電，一般是第一次放電的電流最大，正閃電的電流比負閃電的電流大。這可以從圖1.2典型的雷雨云中的電荷分布得到理解。
    電流上升率數據對避雷保護問題極其重要，最大電流上升率出現在緊靠峰值電流之前。習慣上用電流波形起始時刻至幅值下降為半幅值的時間間隔來表征雷電流脈沖部分的波長。雷電流的大小與許多因素有關，各地區有很大區別，一般平原地區比山地雷電流大，正閃電比負閃電大，第一閃擊比隨后閃擊大。
    (2)閃電的電荷量
    閃電電荷是指一次閃電中正電荷與負電荷中和的數量。這個數量直接反映一次閃電放出的能量，也就是一次閃電的破壞力。閃電電荷的多少是由雷云帶電情況決定的，所以它又與地理條件和氣象情況有關，也存在很大的隨機性。從大量觀測數據表明，一次閃電放電電荷Q可從零點幾庫侖到1000多庫侖。然而在一次雷擊中，在同一地區它們的數量分布符合概率的正態分布。第一次負閃擊的放電量在10多庫侖者居多。
    一朵雷云是否會向大地發生閃擊，由幾個基本因素決定，其一是云層帶電荷多少，其二是把云層與大地之間形成的電容模擬為平板電容時，它對大地的電容是多少。當然這個模擬電容兩極之間的電壓就是由電容和帶電量決定的。當這個模擬電容內的電位梯度du/dl達到閃擊值時就會發生閃擊。當閃擊一旦發生，云地之間即發生急劇的電荷中和。
    雷電之所以破壞性很強，主要是因為它把雷云蘊藏的能量在短短的幾十μｓ放出來，從瞬間功率來講，它是巨大的。但據有關資料計算，每次閃擊發出的能量只相當燃燒幾千克石油所放出的能量而已。
    (3)雷電波的頻譜分析
    雷電波頻譜是研究避雷的重要依據。從雷電波頻譜結構可以獲悉雷電波電壓、電流的能量在各頻段的分布，根據這些數據可以估算通信系統頻帶范圍內雷電沖擊的幅度和能量大小，進而確定避雷措施；在電力系統中，了解雷電波頻譜分析在避雷工程中，也可以根據其分析結果，用最小的投資，達到足夠安全的效果。
    雖然各種雷電波總體的輪廓相似，但是每一次雷電閃擊的電流（電壓）波形仍然存在很大的隨機性。
    雷云向大地或雷云之間劇烈放電的現象稱為閃擊（這里以討論前者為主），帶負電荷的雷云向大地放電為負閃擊，帶正電荷的雷云向大地放電為正閃擊，雷云對大地放電多為負閃擊，其電流峰值以20~50KA居多。正閃擊比負閃擊猛烈，其電流幅值往往在100KA以上，我國黑龍江省近年曾發生過300KA正電荷閃擊記錄（通常200KA以上屬少見）。
    雷電活動及雷擊的選擇性
    (1)雷電活動及雷電活動日
    雷電活動從季節來講以夏季最活躍，冬季最少，從地區分布來講是赤道附近最活躍，隨緯度升高而減少，極地最少。
    評價某一地區雷電活動的強弱，通常用兩種方法。其中一種是習慣使用的“雷電日” ，即以一年當中該地區有多少天發生耳朵能聽到雷鳴來表示該地區的雷電活動強弱，雷電日的天數越多，表示該地區雷電活動越強，反之則越弱。我國平均雷電日的分布，大致可以劃分為四個區域，西北地區一般15日以下；長江以北大部分地區（包括東北）平均雷電日在15?0日之間；長江以南地區平均雷電日達40日以上；北緯23°以南地區平均雷電日達80日。廣東的雷州半島地區及海南省，是我國雷電活動最劇烈的地區，年平均雷電日高達120--130日。總的來說，我國是雷電活動很強的國家。
    因為人們耳朵能聽到的雷聲，一般距離只能在15km左右，更遠的雷聲一般就聽不到了，所以雷電日只能反映局部地區雷電活動情況。
    還有一些科學家認為用雷電日表征一個地區雷電活動不夠準確，因為一天當中聽到一次雷聲就算一個雷電日，而一次當中聽到1000次雷聲也算一個雷電日，并且認為測試地區以1000k㎡范圍內發生的閃擊次數來統計，這樣就得出一種新的評價雷電活動的方法，叫雷閃頻數。也就是說雷閃頻數是1000k㎡內一年共發生的閃擊數（也可以用每1k㎡一年內雷擊次數為單位）。顯然以1000k㎡作為一個地區單位來評價雷電活動的情況，對航空、航海、氣象、通信等現代技術更為適合。然而它的測試方法只能借助于無線電，用耳朵來聽是無能為力的。而對于建筑行業防雷，用雷電日單位己足夠準確，并且大量觀測統計資料表明，一個地區的雷閃頻數與雷電話動日成線性關系，所以兩種統計方法是沒有矛盾的。
    (2)雷擊的選擇
    年平均雷電日這一數字只能給人們提供概略的情況。事實上，即使在同一地區內，雷電活動也有所不同，有些局部地區，雷擊要比鄰近地區多得多。如廣州的沙河，北京的十三陵等地。我們稱這些地方為該地區的“雷擊區” 。
    雷擊區與地質結構有關。蘇聯H﹒C﹒斯捷柯里尼科夫（CTehojhkob）曾用模擬試驗的研究方法證明，如果地面土壤電阻率的分布不均勻，則在電阻率特別小的地區，雷擊的幾率較大。這就是在同一區域內雷擊分布還是不均勻的原因。