淺談雷電監(jiān)測及其預(yù)防

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摘要：介紹雷電的產(chǎn)生原理、監(jiān)測方法、預(yù)防措施及其在生產(chǎn)生活中的的研究意義。
 　　關(guān)鍵詞：雷電監(jiān)測；雷電防護(hù)；預(yù)防
 　　
 　　雷電，是伴有閃電和雷鳴的一種雄偉壯觀而又有點(diǎn)令人生畏的自然現(xiàn)象。雷電災(zāi)害是“聯(lián)合國國際減災(zāi)十年”公布的最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一。全世界平均每分鐘發(fā)生雷暴二千次，每年因雷擊造成的人員傷亡超過一萬人，導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸、信息系統(tǒng)癱瘓等事故頻繁發(fā)生，每年因雷擊造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)20億美元以上。
 　　我國是雷電高發(fā)的家之一，每年遭受雷電都會生成人員的傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。雷電的發(fā)生有明顯的季節(jié)性，一年四季均有發(fā)生，但多出現(xiàn)在夏季。
 　　當(dāng)人類社會進(jìn)入信息時(shí)代后，受災(zāi)行業(yè)面從電力、建筑這兩個(gè)傳統(tǒng)領(lǐng)域擴(kuò)展到幾乎所有行業(yè)，特點(diǎn)是與高新技術(shù)關(guān)系最密切的領(lǐng)域，如航天航空、國防、郵電通信、電子工業(yè)、石油化工等。
 　　提高對雷電災(zāi)害的認(rèn)識、加強(qiáng)對雷電及防雷措施的研究、以及建立雷電監(jiān)測及預(yù)報(bào)系統(tǒng)都是亟待解決的問題，許多學(xué)者和科學(xué)家都在致力于雷電監(jiān)測和防護(hù)的研究，無論是從雷電產(chǎn)生原理上還是雷電監(jiān)測預(yù)警和防護(hù)儀器設(shè)備上都取得了明顯的成效。
 　　
 　　一、雷電產(chǎn)生的原理
 　　
 　　雷電是一種大氣中規(guī)模巨大的火花放電現(xiàn)象，主要產(chǎn)生于積雨云中。積雨云(也稱雷雨云)是一種在強(qiáng)烈垂直對流過程中形成的云。因此雷電常伴有強(qiáng)烈的陣風(fēng)和暴雨，有時(shí)還伴有冰雹和龍卷。
 　　由于地面吸收太陽的輻射熱量遠(yuǎn)大于空氣層，白天地面溫度升高較多，夏日這種升溫更為明顯，近地面的大氣的溫度由于熱傳導(dǎo)和熱輻射也跟著升高，氣體溫度升高必然膨脹，密度減小，壓強(qiáng)也隨著降低，就要上升，上方的空氣層密度相對說來就較大，就要下沉。 熱氣流在上升過程中膨脹降壓，同時(shí)與高空低溫空氣進(jìn)行熱交換，于是上升氣團(tuán)中的水汽凝結(jié)而出現(xiàn)霧滴，就形成了云。積雨云形成過程中，在大氣電場以及溫差起電效應(yīng)、摩擦起電效應(yīng)等原因的同時(shí)作用下，就會使得某些云團(tuán)帶正電荷，某些云團(tuán)帶負(fù)電荷。在靜電感應(yīng)的作用下，他們使大地地面或建筑物表面產(chǎn)生異性電荷，從而使得這些云團(tuán)與云團(tuán)之間、云團(tuán)與大地或云團(tuán)與建筑物就形成了一個(gè)大的電容器，當(dāng)電荷積累到一定程度時(shí)，不同云團(tuán)之間、或者云與大地之間的電場強(qiáng)度可以擊穿空氣，開始游離放電，稱之為“先導(dǎo)放電”。 云對地的先導(dǎo)放電是云向地面跳躍式逐漸發(fā)展的，當(dāng)?shù)竭_(dá)地面(或地面上的建筑物、架空輸電線)時(shí)，便會產(chǎn)生由地面向云團(tuán)的逆導(dǎo)主放電，在主放電階段里，由于異性電荷的劇烈中和，會出現(xiàn)很大的電流，電流做功的結(jié)果，可使電流通過地方的氣體瞬間溫度急劇升高到30000攝氏度左右，這比太陽表面的溫度還要高從而呈現(xiàn)強(qiáng)烈的火光!閃電的平均電流是3萬安培，最大電流可達(dá)30萬安培。閃電的電壓很高，約為1億至10億伏特。一個(gè)中等強(qiáng)度雷暴的功率可達(dá)一千萬瓦，相當(dāng)于一座小型核電站的輸出功率。放電過程中，由于閃道中溫度驟增，使空氣體積急劇膨脹，形成爆炸的沖擊波，爆炸時(shí)產(chǎn)生的聲音就是轟隆的雷聲。
 　　
 　　二、雷電的分類
 　　
 　　按照雷云對地放電的方式可分為直擊雷、感應(yīng)雷和球雷等，最常見的是直擊雷和感應(yīng)雷。
 　　直擊雷是帶電積雨云接近地面至一定程度時(shí)，與地面目標(biāo)之間的強(qiáng)烈放電。直擊雷的每次放電含有先導(dǎo)放電、主放電、余光三個(gè)階段。
 　　感應(yīng)雷也稱作雷電感應(yīng)，分為靜電感應(yīng)雷和電磁感應(yīng)雷。靜電感應(yīng)雷是由于帶電積云在架空線路導(dǎo)線或其他導(dǎo)電凸出物頂部感應(yīng)出大量電荷，在帶電積云與其他客體放電后，感應(yīng)電荷失去束縛，以大電流、高電壓沖擊波的形式，沿線路導(dǎo)線或?qū)щ娡钩鑫锏膫鞑ァ?
 　　球形雷是雷電放電時(shí)形成的發(fā)紅光，橙光、自光或其他顏色光的火球。從電學(xué)角度考慮，球形雷是一團(tuán)處在特殊狀態(tài)下的帶電氣體。

三、雷電監(jiān)測預(yù)警方法、
 　　
 　　雷電監(jiān)測系統(tǒng)通過對閃電回?fù)糨椛涞穆暋⒐?、電磁場信息的測量和分析，進(jìn)而確定閃電放電的空間位置和放電參數(shù)。
 　　云閃和云地閃發(fā)生時(shí)輻射頻譜范圍極大的電磁場，在初始擊穿和通道建立過程中(對應(yīng)先導(dǎo)和流光過程)主要產(chǎn)生甚高頻輻射VHF(very HighFrequency)，當(dāng)在電離后的通道中產(chǎn)生強(qiáng)電流時(shí)(對應(yīng)云地閃回?fù)暨^程和云間活動態(tài))主要產(chǎn)生低頻輻射L F(Low Frequency)和甚低頻輻射VLF(very LowFrequency)。在地一電離層波導(dǎo)中，VHF以射線方式傳播，輻射范圍較小，一般為百公里量級。LF/vL F以地波方式傳播，可以傳播到較大的范圍，一般為千公里以內(nèi)，特別是VLF借助于電離層的反射可以傳播到很遠(yuǎn)的地方(數(shù)千公里)，甚至全球。因此可以在不同的距離上，采用不同的頻帶探測閃電過程。另外，閃電發(fā)生時(shí)還輻射很強(qiáng)的可見光，可以在空間利用衛(wèi)星探測；閃電通道的電離和空氣的膨脹產(chǎn)生隆隆雷聲，還可以用聲學(xué)傳感器探測
   閃電定位系統(tǒng)是用于閃電測量和預(yù)警的新型探測設(shè)備。 進(jìn)入90年代，由于GPS技術(shù)的使用，雷電監(jiān)測在測向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加GPS，形成時(shí)差測向混合系統(tǒng)，同時(shí)采用數(shù)字波形處理技術(shù)(DsP)，對波形作相關(guān)性分析、定位處理，使雷電定位精度和探測效率都有明顯提高。近年來則通過以雙曲時(shí)差技術(shù)為主，輔以磁方向定向算法、定向時(shí)差的混合交匯算法進(jìn)行，這種方法不僅可探測每一個(gè)閃電回?fù)?，而且定位的精度也明顯提高。
 　　目前廣泛應(yīng)用的雷電定位系統(tǒng)，主要有磁方向定位、時(shí)差定位和時(shí)差測向混合定位。其中，混合定位系統(tǒng)同時(shí)利用各探測子站探測閃電回?fù)舭l(fā)生的方位角和回?fù)綦姶琶}沖到達(dá)的精確時(shí)間等數(shù)據(jù)，采用多站方位匯交和到達(dá)時(shí)間差綜合算法進(jìn)行定位，它比單獨(dú)使用測向定位或時(shí)差定位的定位精度要高[2—3]。目前單純使用單磁定向的技術(shù)已不多見[1，4]。
 　　
 　　四、雷電防護(hù)措施
 　　
 　　雷電具有電流大、電壓高、沖擊性強(qiáng)等特點(diǎn)，產(chǎn)生電性質(zhì)、熱性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)等三方面的破壞作用。雷電的破壞效應(yīng)主要體現(xiàn)為：1、對人體的生理效應(yīng)，可致人死亡。2、電動力效應(yīng)，雷電流峰值大，作用時(shí)間短，造成的電動力很大，導(dǎo)致電氣設(shè)備損壞。3、沖擊波效應(yīng)，雷電回?fù)舻乃矔r(shí)溫度和氣壓均很高，巨大的瞬時(shí)功率可產(chǎn)生爆炸式的沖擊波。4、熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)，雷電電流峰值很高，能產(chǎn)生局部瞬時(shí)高溫，容易使樹
 　　雷電防護(hù)主要通過合理，有效的手段將雷電流的能量盡可能安全地引入大地，防止其進(jìn)入被保護(hù)的建筑物、構(gòu)筑物等被保護(hù)設(shè)施。建筑物、構(gòu)筑物直擊雷的防護(hù)已經(jīng)是一個(gè)很早就被重視的問題。現(xiàn)在的防護(hù)手段基本采用有效的避雷針、避雷帶或避雷網(wǎng)作為接閃器，通過引下線使直擊雷能量瀉放入地。
 　　雷雨天氣，人、畜應(yīng)避免在空曠日高處站立或行走。如有條件可以進(jìn)入有寬大金屬構(gòu)架或有防雷設(shè)施的建筑物、以及汽車、船只內(nèi)。避雨時(shí)，還應(yīng)注意腳下地面的干燥程度，盡量站在離墻壁、樹干8m～10m以外的地方，以防止發(fā)生跨步電壓電擊事故。如遇緊急情況，處于跨步電壓區(qū)域內(nèi)的人應(yīng)盡量靠攏兩腳，不要隨意行走，以減輕跨步電壓的傷害。
 　　
 　　五、雷電研究的意義
 　　
 　　對雷電進(jìn)行研究除了可以進(jìn)行正常的雷電預(yù)警和預(yù)報(bào)外，還可以應(yīng)用到廣泛的災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)、電力系統(tǒng)防護(hù)、森林火警以及民航、空間發(fā)射等領(lǐng)域。
 　　總之，隨著人類社會的發(fā)展，充分認(rèn)識到現(xiàn)代雷電防護(hù)的重要性、迫切性和復(fù)雜性，進(jìn)行深入而全面地雷電研究，來進(jìn)一步提高人類對雷災(zāi)防御的綜合能力。
 　　
 　　參考文獻(xiàn)：
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　　[2]馮桂力，雷電監(jiān)測和雷電數(shù)據(jù)的應(yīng)用[J]，山東氣象，2002，22(2)：25—27
　　[3]黃朝軍淺析雷電的形成機(jī)理及預(yù)防[J]科技信息，2007，25：P9
　　[4]淺談雷電災(zāi)害及雷電預(yù)防，防雷中國