雷电学原理复习大纲

雷电学原理复习大纲第一章前言雷电的几种危害。直击雷的危害：雷电流的热效应雷电流造成的机械力雷电流的电动力冲击波效应雷击电磁脉冲的危害闪电的间接（感应）破坏第二章带电粒子引起大气电离的电离源有哪几种？（1） 地壳中放射性物质发出的放射线（2） 大气中放射性物质发出的放射线（3） 地球之外宇宙射线（4） 大气中的闪电、火山爆发、深林大火、尘暴、雪暴等也使大气电离什么是电离率？电离率与什么有关？各种电离源对大气的电离特点？电离率：描述电离源对大气电离的能力，定义为单位体枳和单位时间内大气分子被电离源电离为正负离子对的数目大气的电离率取决于电离源的强度和大气的密度各种电离源特点：（1）地壳中的放射性物质发出的放射线：丫射线是地壳中各射线中主要电离源。地壳中放射性物质发出的各种射线强度在穿越大气时随高度迅速减小，对大气电离率也随之减小。对大气的电离主要局限于离地面1km高度的大气层中o（2）大气中的电离源：a射线是大气中放射性物质发射的射线的主要电离源。由于大气中放射性物质含量随高度减小，所以它对大气的电离率随高度也迅速减小。对大气电离主要局限于5km高度以下的大气。（3）宇宙射线对大气的电离：宇宙射线的电离率随高度迅速增大，但是由于大气密度随高度减小，所以宇宙射线的电离率并非随高度单调上升，大约在10~15km高度处大气电离率达极大值，接着随高的增加而下降。宇宙射线随纬度增加而增大，同时其电离率也随纬度而变化。大气中的离子主要分为几种？各指什么？大气中的离子主要分为两类：（1） 带正、负号电荷的小离子，或称轻离子，其半径约10-8~10-7cm,它常由几个电离分子与中性分子聚合而成。（2） 大离子，或称重离子，它是由各种大小不同的带电气溶胶粒子所组成。大气的电离过程？大气离子的形成是由于大气中存在电离过程。在电离源的作用下，当大气分子吸收的外来能量超过电离能时，分子的外层电子即可逸出而形成游离电子。形成带正电的分子和游离电子。大气分子所逸出的游离电子，又迅速与其周围中性大气分子相结合，形成带负电的大气分子。表征大气离子的物理量有哪些，各个物理量的含义？表征大气离子物理特征的物理量有三个：（1）大气离子的电荷大气中的离子一般只带一个电荷，其大小为L602X10T9C,只有较大的离子才带一个以上电荷。（2） 大气离子的半径大气离子半径指其有效半径，其变化范围从10-8〜lO-cm（3） 大气离子迁移率描述大气离子在电场中移动快慢的参数原因有两种：a由于机械力使其运动，此原因造成的迁移率称机械迁移率b.电场对离子作用产生的运动，称之为电迁移率大气重粒子和轻粒子的日变化？陆地上大气离子浓度也有明显的口变化大气轻离子浓度：通常在后半夜出现极大值，中午前后出现极小值，口落后出现第二个极大值。大气重离子的口变化规律则相反，通常中午前后出现极大值，而在口出前和日落后出现极小值。在海上，大气气溶胶浓度日变化很小，所以大气离子的日变化也小。第三章大气电场晴天大气电场如何形成，它的大小和方向以及随高度的变化特征。观测表明，晴天大气中始终存在方向垂直向下的大气电场，这意味着大气相对于大地带有正电荷，而大地带的是负电荷。大气和大地带异性电荷是大气电场形成的原因。就全球而言，全球表面的晴天大气电场平均值约为130V/m,全球海面晴天大气电场的平均值也接近于130V/m。晴天大气等电位面平行于地面，并随高度递增高度愈低，睛天大气等电位面的电位值愈小高度愈高，晴天大气等电位面的电位值愈大影响晴天电场的机制有哪几种？气象、地理条件晴天大气电场和气象条件的关系？一、 晴天大气电场与气溶胶含量呈正相关二、 地面晴天大气电场与地面水气压变化的平均结果三、 晴天大气电场与气温随高度的变化第四章大气电流什么是晴天大气电导率，由哪几部分组成？电导率的大小决定于哪些参量？晴天大气电导率：单位电场作用下，因大气离子产生运动而形成的大气电流密度值。大气电导率包括大气正极性电导率和大气负极性电导率大气电导率取决于大气离子电荷、大气离子浓度和大气离子迁移率。影响大气电导率的主要有哪些因素？（1） 大气电导率主要取决于大气轻离子，大气轻离子对大气电导率的贡献可占大气轻、重离子对大气电导率总贡献的90%左右（2） 大气气溶胶对大气电导率的影响：浓度减小电导率增加，山区海拔高，大气较清洁，电导率偏高。（3） 大气电导率与太阳活动有关（4） 宇宙射线对大气电导率的影响晴天大气电导率随高度的变化特征？晴天大气电导率随高度的分布，与晴天大气轻离子浓度和大气轻离子迁移率随高度的分布有关，其总效果是晴天大气电导率随高度单凋递增。大气体电荷密度的定义？定量描述大气体电荷的状况，单位：C/d晴天大气电流主要包括哪几部分？各是什么？晴天大气传导电流：是晴天大气离子在晴天大气电场作用下产生运动而形成的大气电流。晴天大气对流电流：是晴天大气体电荷随气流移动而形成的大气电晴天大气扩散电流：则是晴天大气体电荷因湍流扩散输送而形成的大气电流。6.晴天大气电流密度的时空分布特征？晴天大气电流密度不仅随地点而异，还具有明显的口变化、年变化和脉动起伏变化。晴天大气电流密度随地点变化：在近地面层中，由于受大气湍流的影响，晴天大气传导电流密度随高度分布较为复杂。在混合层以上的大气中，晴天大气电流密度近似为晴天大气传导电流密度，而且变化较小。晴天大气电流密度有明显的日变化：变化规律随地点和季节而异大陆上变化复杂，具有明显的口变化，有的地方表现为单峰单谷型，清晨和上午出现峰值，傍晚至夜间出现谷值；海洋上变化较小。晴天大气电流密度还有明显的年变化：其变化幅度一般陆地上大，海洋上小。并随地方而异，有的地方，晴天大气电流密度具有冬季出现极大，夏季出现极小的年变化规律。第五章雷暴云形成雷暴云需要什么条件，一个雷暴云单体分为哪几个阶段，各阶段有什么特征？形成雷暴云条件：枳状云的形成与不稳定大气中的对流上升运动相联系。其形成，除了取决于凝结的条件外，还取决于对流上升所能达到的高度。雷暴云单体的阶段：淡积云：大气不稳定能量较小。云底高度通常为500-1200米，云梯厚度为几百米至2km,上升速度不大，不超过5ms-l。浓枳云：大气不稳定能量较大，由淡积云发展而成。成熟阶段的厚度可达4-5km°云顶在。摄氏度高度以上，云顶由过冷水滴组成。上升速度为15-20ms-l。.(3)枳雨云：形成在暖时而又具有很大不稳定能量，并由适当的抬升里的大气中。伴随雷电、冰雹、暴雨、大风等。持续时间在1小时以上，或者继续发展，在水平方向伸展到100km甚至更大的范|韦I。雷暴云按照水平尺度一般可分为哪几种？单体、多单体、超级体、中尺度对流系统第六章雷暴云电荷结构及起电机制雷暴云的三极性结构是怎样的？温度低于-30°C的高度上有一个直径为2km,电荷量为24C的正电荷区：在-7°C层附近有一个电荷量约为-20C的负电荷区；在负电荷区下部0T附近还有一电荷量为4C的正电荷区。常见的电荷结构有哪些？偶极性、三极性、倾斜式、反极性、多极性什么叫做感应起电机制？又称极化起电机制，晴天大气中因为带有约35OKV高压的电离层存在，所以有一个方向垂直向下的电场，水成物粒子被极化，上表面带负电荷，下表面带正电荷大粒子下•落过程中，与小粒子重力碰撞并分离，使小粒子带上净正电荷，大粒子带上净负电荷，小粒子被强上升气流带到雷暴云上部，大粒子由于重力沉降到雷暴云的中下部，形成了上正下负的双极性电荷结构，对初始电场又有正反馈作用，使感应起电不断增强。4什么叫做非感应起电机制？受哪些因素的影响？两片温度不同的冰晶被带到一起，再分开，温度较高的冰晶获得负电荷而较冷的冰晶获得相等数量的正电荷。这是因为较活跃并带有正电荷的H+氢离子向温度梯度降低的方向扩散，而较稳定被带有负电荷的0H-离子较多地存在于温度较高的部分。与晴天大气电场无关，与温度、有效液态水含量有关5.什么叫做对流起电机制？不依赖于降水的电荷分离机制，假定云中电荷不是来自于水成物的起电和重力沉降，而是晴天空间电荷，地面的电晕和来自云顶的宇宙射线提供的，正、负电荷在垂直气流的作用下被分离，形成了正的偶极性电荷结构。第七章雷电的基本物理过程按照闪电的起始位置和传输位置，闪电分为那些类型？闪电发生位置：云闪:云内闪电，云际闪电，云空闪电，地闪:正地闪;负地闪传输的电荷极性：正地闪和负地闪什么是上行地闪和下行地闪？由从地面向上移动的先导激发，被称为上行闪电：由从向下的移动先导激发称为下行地闪一次云闪过程的主要特征？一般始于连续传播的流光，当流光遇到极性相反的电荷源时，便引发类似于地闪回击的放电过程称为反冲流光，与此相伴的电场叫做K-变化，对应于小而快速的电场变化。一次负地闪过程分为哪几个阶段，每个阶段的特征及持续时间？梯级先导单个梯级的长度？梯级先导通道直径？梯级先导的平均电流？梯级先导的总电荷？一次负地闪过程分为：预击穿过程P;梯级先导L：连接过程；首次回击R：连续电流过程C：直窜（箭式）先导；继后回击；回击后。预击穿过程P100ms梯级先导L20ms连接过程首次回击R70ps连续电流过程C直窜（箭式）先导继后回击回击后梯级先导单个梯级的长度为30〜120m、通道直径为1〜10m、平均电流为50〜63A、总电荷为10〜20C先导始发的两种理论：引路流光理论和电晕、电弧转化理论的概念。引路流光理论：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。电弧转化理论：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rr=iooA/m,就转化为具有孤光特性的放电通道，此放电通道的延伸，就形成了明亮梯级先导的静电学模式中的源电荷模式。要求掌握相应的公式推导。源电荷模式: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_2plr1 1后切切4nE0[(D2+Hj)1/2(D2+H[2)%V”雷是怎么发生的？雷声起源于闪电通道的初始迅速膨胀引发的高压冲击波，它在远距离上退化成为声波。对回击通道的光谱分析认为，在不到10Ms的时间内回击通道温度将达到30000K。由于没有足够的时间使得通道的粒子浓度发生显著改变，因此通道的压力将由于温度的升高而迅速增加。在前5ps内平均的通道压力可以达到10个巳。这样一个通道过压将会导致强烈的冲击波使得通道迅速膨胀。回击间的过程：一、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。二、 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。三、 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。四、 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。第八章人工引发雷电火箭人工引雷中传统的引发雷电技术和空中引发雷电技术方法、原理，弓I发雷电的过程。方法：火箭-导线技术原理：尖端放电引发雷电的过程：当地面测量到地面与雷暴云间环境的电场达到4〜-10kV/m时，这对闪电的发生十分有利，发射一与卷轴上细铜税相连接的火箭，火箭以大约200in/s的速度上升，当其达到300〜300m高度时，火箭尖端处电场加强到足以触发和发展向上正先导，通常这一先导持续几百亳秒，向云传播和开始产生一连续电流，在初始连续电流停止后顺序发生向下先导的向上回击。空中引发雷电技术方法：尼仑线-火箭-导线技术原理：尖端放电引发雷电的过程：第一次由卷轴伸出的离地导线长度为50m,随后是400m合成纤维，最后是第二条触发闪电的铜导线，当这最后条无卷轴导线足够长，一双先导从它的两端开始发展，这时一个正先导从触发导线的顶点或火箭的尖端开始向云传播。在几亳秒后，从触发导线的底端开始有一向地面的负先导，它通过一个来自地面导线的向上正的连接先导与地面相连接。与地面相连接的50m导线的电流通过ImQ的旁路电路测量，快速电场变化通过与闪电通道相距50m的二个电容天线Al、A2测量，与回击相连的磁场变化的测量通过与火箭发射相距55m的感应器作出。传统的人工引雷中雷暴云底部分别为正电荷和负电荷时，引发的雷电物理过程有什么区别？在距闪电一定距离的某一点测到的电场包括哪几部分，分别是如何定义、表达的？第九章全球闪电特征和大气电特征1.请解释一下什么是全球电路？电离层和地面构成一个球形电容器，如假定地面电位为零，则电离层电位平均约为+300kV。全球雷暴活动相当于一个发电机，向上连接电离层，向下连接导电地面，