深究雷電監測及其預防

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摘要：介紹雷電的產生原理、監測方法、預防措施及其在生產生活中的的研究意義。

關鍵詞：雷電監測；雷電防護；預防

雷電，是伴有閃電和雷鳴的一種雄偉壯觀而又有點令人生畏的自然現象。雷電災害是“聯合國國際減災十年”公布的最嚴重的十種自然災害之一。全世界平均每分鐘發生雷暴二千次，每年因雷擊造成的人員傷亡超過一萬人，導致火災、爆炸、信息系統癱瘓等事故頻繁發生，每年因雷擊造成的直接經濟損失達20億美元以上。

我國是雷電高發的國家之一，每年遭受雷電都會生成人員的傷亡和經濟損失。

雷電的發生有明顯的季節性，一年四季均有發生，但多出現在夏季。

當人類社會進入電子信息時代后，受災行業面從電力、建筑這兩個傳統領域擴展到幾乎所有行業，特點是與高新技術關系最密切的領域，如航天航空、國防、郵電通信、電子工業、石油化工等。

提高對雷電災害的認識、加強對雷電及防雷措施的研究、以及建立雷電監測及預報系統都是亟待解決的問題，許多學者和科學家都在致力于雷電監測和防護的研究，無論是從雷電產生原理上還是雷電監測預警和防護儀器設備上都取得了明顯的成效。

一、雷電產生的原理

雷電是一種大氣中規模巨大的火花放電現象，主要產生于積雨云中。積雨云(也稱雷雨云)是一種在強烈垂直對流過程中形成的云。因此雷電常伴有強烈的陣風和暴雨，有時還伴有冰雹和龍卷。

由于地面吸收太陽的輻射熱量遠大于空氣層，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，同時與高空低溫空氣進行熱交換，于是上升氣團中的水汽凝結而出現霧滴，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、摩擦起電效應等原因的同時作用下，就會使得某些云團帶正電荷，某些云團帶負電荷。在靜電感應的作用下，他們使大地地面或建筑物表面產生異性電荷，從而使得這些云團與云團之間、云團與大地或云團與建筑物就形成了一個大的電容器，當電荷積累到一定程度時，不同云團之間、或者云與大地之間的電場強度可以擊穿空氣，開始游離放電，稱之為“先導放電”。云對地的先導放電是云向地面跳躍式逐漸發展的，當到達地面(或地面上的建筑物、架空輸電線)時，便會產生由地面向云團的逆導主放電，在主放電階段里，由于異性電荷的劇烈中和，會出現很大的電流，電流做功的結果，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強烈的火光!閃電的平均電流是3萬安培，最大電流可達30萬安培。閃電的電壓很高，約為1億至10億伏特。一個中等強度雷暴的功率可達一千萬瓦，相當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，爆炸時產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、感應雷和球雷等，最常見的是直擊雷和感應雷。

直擊雷是帶電積雨云接近地面至一定程度時，與地面目標之間的強烈放電。直擊雷的每次放電含有先導放電、主放電、余光三個階段。

感應雷也稱作雷電感應，分為靜電感應雷和電磁感應雷。靜電感應雷是由于帶電積云在架空線路導線或其他導電凸出物頂部感應出大量電荷，在帶電積云與其他客體放電后，感應電荷失去束縛，以大電流、高電壓沖擊波的形式，沿線路導線或導電凸出物的傳播。

球形雷是雷電放電時形成的發紅光，橙光、自光或其他顏色光的火球。從電學角度考慮，球形雷是一團處在特殊狀態下的帶電氣體。

三、雷電監測預警方法

雷電監測系統通過對閃電回擊輻射的聲、光、電磁場信息的測量和分析，進而確定閃電放電的空間位置和放電參數。

云閃和云地閃發生時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(對應先導和流光過程)主要產生甚高頻輻射VHF(veryHighFrequency)，當在電離后的通道中產生強電流時(對應云地閃回擊過程和云間活動態)主要產生低頻輻射LF(LowFrequency)和甚低頻輻射VLF(veryLowFrequency)。在地一電離層波導中，VHF以射線方式傳播，輻射范圍較小，一般為百公里量級。LF/vLF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，特別是VLF借助于電離層的反射可以傳播到很遠的地方(數千公里)，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，閃電發生時還輻射很強的可見光，可以在空間利用衛星探測；閃電通道的電離和空氣的膨脹產生隆隆雷聲，還可以用聲學傳感器探測。

閃電定位系統是用于閃電測量和預警的新型探測設備。進入90年代，由于GPS技術的使用，雷電監測在測向系統的基礎上增加GPS，形成時差測向混合系統，同時采用數字波形處理技術(DsP)，對波形作相關性分析、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差技術為主，輔以磁方向定向算法、定向時差的混合交匯算法進行，這種方法不僅可探測每一個閃電回擊，而且定位的精度也明顯提高。

目前廣泛應用的雷電定位系統，主要有磁方向定位、時差定位和時差測向混合定位。其中，混合定位系統同時利用各探測子站探測閃電回擊發生的方位角和回擊電磁脈沖到達的精確時間等數據，采用多站方位匯交和到達時間差綜合算法進行定位，它比單獨使用測向定位或時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已不多見[1，4]。

四、雷電防護措施

雷電具有電流大、電壓高、沖擊性強等特點，產生電性質、熱性質和機械性質等三方面的破壞作用。雷電的破壞效應主要體現為：

1、對人體的生理效應，可致人死亡。

2、電動力效應，雷電流峰值大，作用時間短，造成的電動力很大，導致電氣設備損壞。

3、沖擊波效應，雷電回擊的瞬時溫度和氣壓均很高，巨大的瞬時功率可產生爆炸式的沖擊波。

4、熱效應和機械效應，雷電電流峰值很高，能產生局部瞬時高溫，容易使樹

雷電防護主要通過合理，有效的手段將雷電流的能量盡可能安全地引入大地，防止其進入被保護的建筑物、構筑物等被保護設施。建筑物、構筑物直擊雷的防護已經是一個很早就被重視的問題。現在的防護手段基本采用有效的避雷針、避雷帶或避雷網作為接閃器，通過引下線使直擊雷能量瀉放入地。

雷雨天氣，人、畜應避免在空曠日高處站立或行走。如有條件可以進入有寬大金屬構架或有防雷設施的建筑物、以及汽車、船只內。避雨時，還應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，以防止發生跨步電壓電擊事故。如遇緊急情況，處于跨步電壓區域內的人應盡量靠攏兩腳，不要隨意行走，以減輕跨步電壓的傷害。

五、雷電研究的意義

對雷電進行研究除了可以進行正常的雷電預警和預報外，還可以應用到廣泛的災害性天氣預報、電力系統防護、森林火警以及民航、空間發射等領域。

總之，隨著人類社會的發展，充分認識到現代雷電防護的重要性、迫切性和復雜性，進行深入而全面地雷電研究，來進一步提高人類對雷災防御的綜合能力。

參考文獻：

[1]吳翠紅，左申正，萬玉發，閃電定位系統布網方案設計的技術探討[J]，氣象，2002，28(6)：9—13

[2]馮桂力，雷電監測和雷電數據的應用[J]，山東氣象，2002，22(2)：25—27

[3]黃朝軍淺析雷電的形成機理及預防[J]科技信息，2007，25：P9

[4]淺談雷電災害及雷電預防，防雷中國