1.2 雷电放电机制

1.2.1 闪电的形成与类型

1.2.1.1 闪电的产生

雷鸣闪电是大自然中经常出现的现象，然而很多人并不清楚它的产生原理和本质。事实上，闪电是云与云之间、云与地之间或者云体内各部位之间的强烈放电现象，这种放电一般发生在积雨云中。

1.2.1.2 闪电的类型

闪电一般有两种分类方法。

1．按闪电发生的空间位置分类

（1）云内闪电：云团内不同极性荷电中心之间的放电过程。

（2）云际闪电：两块不同极性云团荷电中心之间的放电过程。

（3）晴空闪电：云团荷电中心与云团外大气或不同极性荷电中心之间的放电过程。

（4）云地闪电：云团荷电中心与大地（地物）之间的放电过程，通常称之为地闪。它与人类的关系最密切，是防雷研究的主要对象。

2．按闪电的形状分类

（1）线状闪电，如图1-6所示。

（2）带状闪电，如图1-7所示。

（3）片状闪电。

（4）联珠状闪电，如图1-8所示。

（5）球状闪电。

1.2.2 地闪的类型及其特性

通常情况下，一半以上的闪电放电过程发生在云内主要正、负电荷区间，这种闪电称为云内闪电，它与发生概率相对较低的云间闪电和云-空气放电一起被称作云闪。云地之间的对地放电则被称为地闪。由于地闪对人类危害较大，与人类生活息息相关，所以对它的研究也较为深入。

1.2.2.1 地闪的分类

1．按先导方向划分

（1）向下先导：由云向地面发展的先导；如果先导带负电，称向下负先导；如果先导带正电，称向下正先导。

（2）向上先导：由地面向云中发展的先导；如果先导带负电，称向上负先导；如果先导带正电，称向上正先导。

2．按闪电电流划分

（1）正地闪：闪电电流为正（向下）的称为正地闪；通常云底荷正电荷，地面为负电荷。

（2）负地闪：闪电电流为负（向上）的称为负地闪；通常云底荷负电荷，地面为正电荷。

3．按照地闪先导传播方向和地闪电流方向划分

第一类地闪：具有向下先导和向上回击，云中负荷电中心与大地和地物间的放电过程具有负闪电电流，简称为向下负先导负地闪，如图1-9（a）所示。如果负先导不着地，则无回击，此时只有云空放电。如果负先导着地，则产生回击，将云中的部分电荷泄放到大地，如图1-9（b）所示，若该过程只一次则为单闪击闪电，若重复多次则为多闪击闪电。

第二类地闪：具有向上正先导的云中负荷电中心与大地和地物间的放电过程，具有负闪电电流。它又分两种情况：若先导带正电向上，放电一般始于高耸的接地体（塔尖或山顶），具有向上正先导而无回击，简称为向上正先导连续负放电，如图1-9（c）所示；若先导带正电向上和向下回击，称之为向上正先导负地闪，如图1-9（d）所示，如果其后有随后闪击，称之向上正先导多闪击负地闪。

第三类地闪：云中电荷为正，具有向上负先导的云中正电荷中心与大地和地物间的放电过程，具有正闪电电流。若向上先导始于高耸的高层建筑的尖顶，这类地闪也有以有无回击而细分为A型和B型。A型地闪具有向上先导和向下回击的放电过程，简称向上负先导连续正放电，如图1-9（g）所示。向上正地闪多为单闪击地闪。B型地闪具有向上先导而无回击的放电过程，只是在先导后出现持续时间约几百毫秒，持续电流为几百安的放电过程，简称为向上负先导正地闪，如图1-9（h）所示。

第四类地闪：云中荷正电，为具有向下正先导和向上回击，云中正电荷中心与大地和地物间放电过程具有正闪电电流，简称为向下正先导正地闪，如图1-9（e）所示。若向下正先导不着地，于是产生云空放电过程。若向下正先导着地，引起向上正回击，泄放云中的正电荷到大地，如图1-9（f）所示，这一类在山地区少见，在湖边可见到。

1.2.2.2 地闪放电全过程

地闪放电过程电荷活动如图1-10所示。

1．梯式（级）先导

（1）闪电的初始击穿：在图1-9（a）～图1-9（d）中，当积雨云的下部有一负电荷中心与其底部的正电荷中心附近局部地区的大气场达到104V/cm左右时，该云雾大气会初始击穿负电荷中和正电荷，这时从云下部到云底部全部为负电荷区。

（2）梯式先导过程：随大气电场进一步加强，进入起始击穿的后期，这时电子与空气分子发生碰撞，产生轻度电离，从而形成负电荷向下发展的流光，表现为一条暗淡的光柱像梯级一样逐级伸向地面，称为梯式先导，如图1-9（e）～图1-9（f）所示，每一梯级的顶端发出较亮的光。由于大气体电荷随机分布，梯式先导在大气中蜿蜒曲折地进行，并产生许多向下发展的分支。梯式先导的平均传播速度为3.0×105cm/s左右，其变化范围（1.0～26）×105cm/s，梯式先导由若干个单级先导组成，而单个梯级的传播速度则快得多，一般为5×107cm/s，单个梯级的长度平均为50m左右，其变化范围为30～120μm左右。梯式先导通道的直径较大，变化范围为1～10m。

（3）电离通道：梯式先导向下发展的过程是一电离过程，电离过程中生成成对的正、负离子，其中正离子被由云中向下输送的负电荷不断中和，从而形成一充满负电（对负地闪）荷为主的通道，称为电离通道或闪电通道，简称通道。闪电通道由主通道、失光通道和分叉通道组成。闪电放电过程中主通道起重要作用，电离通道结构如图1-11所示。

（4）连接先导：当具有负电位的梯式先导到达地面附近，离地约5～50m时，可形成很强的地面大气电场，使地面在正电荷向上运动，并产生从地面向上发展的正流光，这就是连接先导，连接先导大多发生于地面凸起物处。

2．回击

当梯级先导与连接先导会合时，形成一股明亮的光柱，沿着梯式先导所形成的电离通道由地面高速冲向云中，称为回击。回击比先导亮得多，传播速度也比梯式先导快得多，平均为5×107cm/s，变化范围为（2～20）×107cm/s。回击的通道直径平均为几厘米，其变化范围为0.1～23cm。回击具有较强的放电电流，峰值电流强度可达104A量级，因而发出耀眼亮光。地闪所中和的云中负电荷绝大部分在先导放电时贮存在先导主通道及其分支中，并在回击传播过程不断被中和。由梯式先导到回击这一完整的放电过程称为第一闪击。从地面向上发展起来的反向放电不仅具有电晕放电，还具有强的正流光，它与向下先导会合，其会合点称为连接点，有时称之为“连接先导”的向上流光，若其在向下先导到达放电距离同一瞬间开始发展，则连接先导高度约为放电距离的一半。

3．箭式（直窜或随后）先导

紧接着第一闪击之后，经过约几十毫秒的时间间隔，形成第二闪击。这时又有一条平均长为50m的暗淡光柱沿着第一闪击的路径由云中直驰地面，这种流光称箭式先导。箭式先导是沿着预先电离了的路径通过的，它没有梯式先导的梯级结构。箭式先导的传播速度大于梯式先导的平均传播速度，平均值为2×106cm/s，变化范围为（1.0～21）×106cm/s，箭式通道直径的变化范围亦为1～10m。当箭式先导到达地面附近时，又产生向上发展的流光由地面与其会合，随即产生向上回击，以一股明亮的光柱沿着箭式先导的路径由地面高速驰向云中。由箭式先导到回击这一完整的放电过程称为第二闪击，第二闪击的基本特征与第一闪击是相同的，而以后各次闪击的情况与第二闪击的情况基本相同。

由一次闪击构成的地闪称为单闪击地闪，由多次闪击构成的地闪称为多闪击地闪，而第一闪击后的各闪击称为随后闪击。通常一次地闪由2～4次闪击构成，个别地闪的闪击数可达26次之多。多闪击地闪各闪击间隙时间，在无连续电流的情况下平均为50ms左右，其变化范围为3～380ms。一次地闪的持续时间平均为0.2s左右，其变化范围为0.01～2s。

1.2.3 人工触发闪电及闪电的形成机制

闪电是强对流风暴中的瞬态放电现象。自古以来，雷电所产生的划破长空的炫目的闪光以及与之相伴随的震人心魄的霹雳给人们留下了强烈的印象，因而成为近代科学最早研究的对象之一。目前人们对闪电形成机制的研究主要来自高压实验室内的人工模拟雷电实验，与自然界闪电有所差异，故在对闪电形成机制学说的理解上，既要注意其局限性，又要注意相似性。

1.2.3.1 人工触发闪电

1．人工触发闪电技术

目前采用的人工引发雷电技术是在雷暴当顶且地面电场强度达到3kV/m时，发射拖带直径为0.2mm细金属丝的小火箭。绕有金属丝的线轴固定在火箭的尾翼上，火箭的飞行速度为100～200m/s，最大飞行高度约800m。金属丝下端可以是接地的（地面触发方式），也可以是不接地的（空中触发方式）。在后一种情况下，火箭升空时首先从线轴放出的是几十到几百米长的尼龙线，然后才是与地绝缘的金属导线，由于这种方式能模拟自然闪电的下行先导的接地行为，因而目前得到了较多的使用。当火箭上升到离地面几百米高度时，环境电场强度为3～30kV/m。由于细金属丝对电场的局部增强作用，在紧靠导线上、下端处的电场强度就会超过106V/m而发生电击穿，并以电子雪崩的方式先后形成向上和向下传输的先导。下行先导首先到达地面，形成类似于回击的快速电荷中和过程（微回击），然后上行先导进入云中，形成了云-地之间的电流通道。

2．人工触发闪电的意义

人工触发闪电是研究闪电和利用闪电的重要途径之一。由于自然闪电在时间上和空间上的随机性，给研究闪电带来了一定的困难，而人工触发闪电则可以弥补其不足。在触发之前可以做好各种观测和测试准备，因此，可以方便地对闪电的机制、闪电的物理化学过程等进行研究。通过人工触发闪电还可研究闪电对人体、建筑物以及电器、电子设备等的破坏作用，以找到防雷击的有效技术。人工触发闪电在军事上也有广泛的用途，如在发射大火箭之前，先发射小火箭以触发云中闪电，以便在带电云中暂时打开一个安全通道，使大火箭、导弹等飞行器安全通过。同时，人工触发闪电还可以作为核爆电磁脉冲信号的模拟信号源，以用于检验爆炸定位系统的工作情况，也可能作为人工影响雷电和防雹消雹的一种手段，对农业减灾方面有所贡献。总之，人工触发闪电作为可以控制的模拟自然雷电源，在雷电机理研究、雷电防护以及电力、通信、军事及宇航等部门都有着广泛的应用前景。

1.2.3.2 闪电的形成机制

1．关于先导机制的学说

闪电是大气电场增强到一定程度后空气的自持导电现象，因此可以引用实验室条件下关于实验气体从被激导电转化为自持导电的学说。绝缘的气体在强电场作用下，当电场强度达到一定值时，初始的少量带电粒子在电场力的作用下加速，当动能达到一定值时，可以通过碰撞作用把能量传给气体原子或分子并使之电离，产生更多的电子，新产生的电子被加速后再去碰撞，从而产生类似雪崩一样的连锁反应，这种现象称为电子崩，最后绝缘气体变成良导体，气体被击穿。实际上，根据H.Reather和K.W.Wagner先后利用云室照相拍得的气体放电照片可以看出，导体通道中除了电子崩以外，还有扩展更快的“流光”，它们是被碰撞的原子、分子或离子发出的光子以及光子撞击原子、分子而产生的二次电子及电子崩所组成的。这些流光才是造成气体击穿电离的主要因素，而闪电的先导正是靠流光开辟闪电通道的，光子的速度比电子大得多，所以先导推进的速度较快。

2．积雨云电击穿机制

空气的电击穿所需要的电场强度约为3×104V/cm，而云中出现流光形成梯级先导时，实验测得此时云中的电场强度还远未达到此值。麦基（Macky）在1931年发现：在强电场的作用下，水滴极化并沿电场方向伸长，当电场强度超过临界电场时，水滴就变得很不稳定，开始电晕放电，水滴两端发出流光。如果水滴半径取0.1 cm，则临界电场为1.2×104V/cm，如果水滴半径取0.2cm，则临界电场为0.87×104V/cm，这说明云中水滴在较低的场强下就产生流光了。实验观测表明，在积雨云出现下行先导之前，云内已先有流光发展，使云下端的次正电荷区与云中部的主负电荷区导通，积雨云的负电荷从中层发展到下层。

3．云地间的先导通道

在云下方与大地之间的大气电场强度，从观测值来看，几乎未达到1×104V/cm，而梯级先导的流光向下方推进所需要的电场强度至少要达到3×104V/cm，即空气的击穿场强。由于云中先导已经形成了高度电离的通道，云中电荷就会沿通道充满先导的下端，在这尖端附近就产生电场强度很高的不均匀电场，其值远远大于3×104V/cm，它足以使附近的大气击穿导电，而且其作用力产生的电子迁移速度可达107cm/s，这正是梯级先导的传播速度。先导通道的电阻非常小，故先导下端与积雨云中负电荷区中心处的电位几乎相等，先导的下端很容易发出流光，迅速推进先导一级一级地跃进。

4．其他地闪的先导

下行负地闪虽然占地闪的70%～90%，但是近几年上行闪电也越来越受到人们的重视。因为先导是从地面发展的，可以瞬间提供足够的自由电荷，所以一般来说，上行雷没有回击。当上行先导只伸展到云中负电荷区，不出现回击，这是上行负地闪；当此先导伸展到云顶深处，与正电荷导通，范围很高，先导通道顶端与地面的电位差非常大，引起的回击特别强烈，此时为上行正地闪。