淺析雷云電荷分布結構及地閃的特征

羅佳俊

天津市防雷技術中心  300074

載要：自然科學要求所有的理論都必須是通過反復的實驗推導出。雷電屬于大氣電學的一個分支理論，也不例外。本文將筆者在2007年雷雨季節通過現有雷電監測儀器監測到的數據和其它監測數據來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年的殷商時代就有關于雷電的記載。但是各國對雷電的認識和研究，從16實際才真正的開始。從第一個起電機的創造，到萊頓瓶的發明，再到富蘭克林風箏實驗引電的成功，對于雷電的研究，人類的腳步從來沒有停止過。20世紀上半個世紀，C.T.R.Wilson通過制造的毛細管靜電計來測量閃電時垂直電場的變化，由此可靠地確定雷暴過程的云中含電量，并推算出云中電量和電荷的分布。從而揭開了雷電神秘的面紗，并初步建立起雷電科學。進入二十世紀末期，隨著計算機的發展，對于雷電的研究進入了一個嶄新的時期。科學家利用各種電場監測儀、閃電定位儀等各種探測系統，通過實時監測數據，為人類更好地研究大氣電學提供了可靠的資料。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（帶電或置于電場中）使導體內部存在電場時，自由電子受到電場力的作用而作定向運動，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。這種現象稱為靜電感應。

地閃：云與大地之間的一種放電過程。

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為正地閃。反之，閃電電流自地面指向上方的地閃稱為負地閃。電場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

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

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

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，大氣電場以負電場為主，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在空間電場大于大氣游離放電的臨界強度時，就會發生雷云之間或雷云與大地之間的火花放電，即發生閃電現象。從圖像上看出，在11：00到12：30左右在民族中學附近范圍內發生過閃電。從作者當天的觀察天氣記錄和氣象臺公布的雨情公報來看，當天中午時段確實有過雷閃。而此時的電氣電場平均值約為-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，在進入地閃高發季節后，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。這一點由他們的比值變化表現的更為明顯。在進入5月份后，正負地閃數量的比值已經下降到了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特點之一。

從以上統計數據可以看出，發生閃電時，負地閃多于正地閃。（圖片來源于中國雷電監測網絡）

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湖南省雷電監測產品。

從以上監測結果得出，發生閃電時，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，更容易與大地發生放電現象，即容易發生負地閃；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，《現代防雷技術基礎》 清華大學出版社， 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8月21日—22日全省雷電監測產品