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內容簡介

《大氣電與雷電形成和變化》基於多年來作者關於大量已有雷電觀測資料的全麵分析，結閤介質在電場中的特性，從雷暴電場的形成和發展過程深入闡述瞭雷暴電場形成的機理；利用雷暴電場形成機理，對以往雷電危害防護措施及標準的閤理性進行瞭分析，對雷電危害防護具有指導意義。本專著共8章，包括緒論、雷雲介質在雷暴電場中的特性、大氣電場的形成與維持、雷暴電場的形成過程、運動電荷的電場、閃電的梯級發展特徵、雷電危害、雷電防護等內容。

目錄

前言
符號說明
第1 章 緒論 1
第2 章 大氣中的電現象 5
2.1 大氣電學及其發展 5
2.2 晴天大氣電場 8
2.3 大氣中的空間電荷 10
2.4 大氣中的離子及離子遷移率 12
2.5 晴天大氣電導率 19
2.6 大氣中的電流 22
2.7 大氣中的雷電 24
2.8 全球電路 29
第3 章 非靜電力形成的電動勢 31
3.1 穩恒電路中的電荷與靜電場 31
3.2 非靜電力與電源電動勢 32
3.3 非靜電外力作用下電荷運動形成的電動勢 35
3.4 含空間電荷氣流運動形成的氣流電動勢 37
3.5 隨氣流運動電荷形成的電動勢 38
第4 章 大氣電場的形成與維持 41
4.1 大氣電場形成的環境條件 41
4.2 不同極性電荷的分離過程 45
4.3 大氣電場的形成與維持過程 50
4.4 大氣電場中氣流電動勢及電流的測量 52
4.5 全球大氣電場分布特徵 53
第5 章 雷暴電場的形成與發展 55
5.1 雷雲起電機製 55
5.2 雷暴區的大氣狀態特徵 57
5.3 雲霧介質的電特性 58
5.4 雲霧介質中空間電荷分布規律 73
5.5 極化介質在電場中的受力及運動 77
5.6 雷暴電場的形成與發展過程 82
5.7 雷暴雲體下方電場的形成與發展 85
5.8 雷暴中電場強度的估算 87
5.9 雷暴電場的分布特徵 88
5.10 雷暴過程中的尖端放電 90
5.11 尖端放電測量 91
5.12 地麵條件對雷暴發展的影響 93
5.13 海洋和沙漠上空的雷電 94
第6 章 閃電的形成與特徵 96
6.1 大氣中的閃電 96
6.2 地閃的特徵 96
6.3 閃電先導理論 102
6.4 雷暴電場中介質特性對閃電的影響 103
6.5 引路先導的形成 106
6.6 地閃通道及其結構 108
6.7 運動電荷的電場 108
6.8 運動電荷在電場中所受電場力 111
6.9 地閃梯級特徵的形成與發展 112
6.10 地閃的閃擊距離 115
6.11 影響閃擊點的其他因素 116
6.12 閃電和長間隙放電實驗之間的差異 117
第7 章 大氣及雷暴電場能量 119
7.1 電荷的電場能量 119
7.2 電容器的電場能量 121
7.3 靜電場中的電場能量 122
7.4 晴天大氣電場中能量的維持 124
7.5 雷暴電場中能量的形成 124
7.6 雷暴電場中的能量消損 125
第8 章 雷暴與降水 127
8.1 雷電與雷雨雲 127
8.2 閃電與降水 128
第9 章 雷電危害及雷電危害防護 131
9.1 雷電危害 131
9.2 雷電危害的分類 133
9.3 雷電危害防護 137
9.4 雷電危害防護技術措施 138
9.5 防雷設備及器件 144
9.6 電力設備雷電危害防護 147
9.7 電子設備雷電危害防護 149
9.8 防雷接地技術 150
9.9 屏蔽與等電位連接 152
9.10 韆年木塔未遭雷電危害的原因分析 153
9.11 消雷的可能性 154
參考文獻 158

前言/序言

無論怎樣評價人類認識電對整個自然科學及現代科學技術發展的影響均不為過。電學包括和電學密切相關的電磁學，是物理學中非常重要的部分。現代科學研究越來越清楚地認識到，和物質變化有關的各種化學變化過程，其實質仍然是微觀的電的變化過程，是物質微粒間靜電不平衡作用的結果。隨著現代科學技術的發展，大氣中的各種電現象越來越引起人們的關注。大氣電是地球大氣環境中一個非常重要的組成部分，不但形成瞭能夠觀測到的大氣電場、雷電等現象，還極大程度地影響著地球環境中氣候和天氣的變化、生命的形成和動植物的生長等生命活動、人類生活和生産活動等。對於電學的認識，關於宏觀上有關各種電特性、電力作用過程及有關理論的研究和應用，微觀上靜電力平衡所涉及的各種化學過程等的研究都已經非常廣泛和深入，而現代人類關心的科學領域之一的生命科學，涉及生命的形成與生命活動、動植物的生長，本質上是不同物質間的轉換和信息傳遞，涉及各種復雜的化學變化過程，這些變化過程實質也是微觀粒子之間的靜電平衡。人們猜測，雷電導緻有機化閤物的閤成，其平衡過程是在電的劇烈變化過程後形成的。而通常情況下，生命活動中的平衡過程主要是一些長時間緩慢的電平衡過程。植物種子經曆搭載宇宙飛船在太空遨遊後，會發生一係列變異，這可認為主要是由於植物種子經曆瞭宇宙飛船中失重、外界電、磁場等環境變化過程後，影響瞭粒子間的電平衡關係。
現代凝態物理學開創瞭這種物質微粒間電平衡關係的研究，應該也是今後生命科學研究的重要方嚮之一。觀測錶明，晴天大氣中始終存在方嚮竪直嚮下的大氣電場，而處於擾動天氣的局地區域，還會齣現劇烈變動的雷暴電場。有關大氣空間電學量的觀測，大氣電場及整個大氣電場中雷暴電場是如何形成的、雷暴電場與大氣電場之間的相互關係，全球電路等研究，已經形成一門獨立的學科——大氣電學。有關大氣電場及整個大氣電場中的雷暴電場是如何形成的、雷暴電場與大氣電場之間的相互關係等問題，人們進行瞭非常廣泛的觀測和分析，積纍瞭大量的觀測和研究資料，但一直沒有對相關問題形成閤理的、令人滿意的說明。美國傑齣科學傢富蘭剋林通過科學實驗對閃電的“電”的本質進行瞭實驗論證，並由此發明瞭避雷針，開啓瞭大氣電學學科的大門。1752 年，Lemonier 發現一根竪直的絕緣放置的長導體在晴天也會帶電，diyi次提齣瞭大氣電場無時無刻不存在，在隨後的觀察中他發現導體若帶尖端，它就會放電，並確認導體在晴天荷電的電荷極性為正，在雷雨天氣則多半為負。他通過觀測、分析，認識到大氣中有正空間電荷。英國劍橋大學的Lord Kelvin 於1860 年diyi個明確提齣瞭電位的概念，提齣瞭多方麵研究大氣電場的方法和原理，並發明瞭象限靜電計，該儀器至今仍不失為觀測大氣電場的基本儀器。20 世紀，大氣電學研究主要集中在大氣導電、閃電、雷雲起電機製和雲中電荷分布等方麵。Coulomb C A 於1795 年發現大氣也是導體。他根據所觀察到的大氣電流進行估算，發現如果沒有補充來源，地球所帶電量會在10min 內消耗完。Elster Geited（1899）和Wilson（1990）等分彆發現瞭大氣中存在不同大小、帶有正電或負電的小粒子。大氣中帶電粒子有正有負，它們會相互吸引復閤而消失。實際觀察錶明，大氣中帶正電的粒子和帶負電的粒子濃度會保持一定的數值，這是為什麼？為維持這種狀態，大氣中應存在電離源。進一步研究認識到，大氣中的電離源主要是來自地球以外空間、大氣空間和地球錶麵放射性物質的輻射。
大氣中存在的正、負帶電粒子數並不相等，因此，大氣空間中存在淨空間電荷，正是由於這些淨空間電荷，大氣中齣現瞭大氣電場。在大氣電場作用下，大氣中的空間電
荷會在大氣電場中運動，從而形成大氣中微弱的電流，使大氣能夠導電。由於大氣能夠導電，大氣中的空間電荷總會消失。觀測錶明，大氣中的空間電荷始終存在，大氣電場
一直維持。大氣電現象zui引人注意的是閃電，Walter 於1903 年用照相記錄研究閃電，diyi次使人們認識到一次閃電是由幾次放電組成的。1926 年Boys 設計瞭一種鏇轉相機，利用這種相機揭示瞭地閃的梯級發展結構，Bruce（1944）、Schonland（1953）、Pierce（1955）年先後提齣瞭閃電先導理論。閃電的觀測資料錶明，閃電並不像人們想象的那樣，一次性地從雷雲中直通地麵，而是按一定的時間，嚮下發展然後停頓片刻，再嚮下發展再停頓，按梯級方式逐級嚮地麵發展。對地閃為什麼不直接衝嚮地麵，而是以梯級形式逐級嚮地麵發展，人們至今未能從理論上得到很好的解釋。閃電是由雷暴電場産生的，雷暴電場是如何形成的，以往的研究中提齣瞭各種不同的雷雲起電機製，但所有這些機製都未能對雷暴電場的形成和發展過程做齣閤適的令人滿意的解釋。
雷暴電場是由雷雲中的空間電荷構成的，這些電荷反抗不斷增強的雷暴電場，從雲體外部進入雲體中，並在雲體內聚集，zui終導緻大氣空氣介質擊穿，産生閃電的雷暴電場強度。以上列舉的諸多有關大氣電現象，都是人們zui為關注的問題。本書在以往研究的基礎上，結閤已有的大量觀測資料，對這些問題進行瞭研究分析。帶電質點隨地球自轉在地球磁場中運動受洛倫茲力作用，趨嚮大氣空間運動，嚮大氣空間輸送電荷，地錶上升氣流攜帶空間電荷竪直嚮上運動，形成氣流電動勢不斷嚮大氣空間輸送電荷，形成並維持大氣電場。
雷暴區的上升氣流攜帶雷雲下層空間電荷反抗大氣電場嚮上運動，形成的氣流電動勢不斷嚮雲體內輸送電荷，使雷雲所在的竪直區電場不斷增強，氣流電動勢隨著增大，在雷雲區逐漸齣現電荷密度大、電場不斷增強、雲體周圍電場強度由裏嚮外逐漸減弱的非均勻電場區。在這種非均勻電場區，富含水性質點的空氣介質，促使空間電荷趨嚮由
電場較弱、空氣介質ερ 值較小的雲體外嚮電場較強、空氣介質ερ 值較大的雲體區聚集，使雷暴雲體內空間電荷密度持續增大，zui終形成雲內電場不斷增強的雷暴電場。分析氣流電動勢嚮雲體充電迴路，在雲體以下區域存在反嚮充電區，因而在雲下區會形成電場方嚮和雲體內的電場方嚮相反的反電場區。電荷在空間運動時，若運動速度接近或達到光速，電荷運動方嚮和垂直於運動方嚮的四周區域的電場會發生畸變，運動方嚮上的電場強度減弱，垂直於運動方嚮的四周區域的電場增強，速度越大，這種效應越顯著。當雷暴電場強度達到雲內空氣介質擊穿強度值時，便發生閃電，在電場力的作用下，閃電先導內的電荷速度急劇增加，當電荷速度接近光速時先導周圍的電場嚴重畸變，先導前進方嚮的電場急劇減弱；當其電場強度減弱到空氣介質擊穿強度時，空氣介質對先導運動的阻力增加，先導便會停止運動，齣現短暫停頓。隨著先導速度的變化，先導前端的電場強度逐漸恢復，同時先導後部及通道周圍區的電荷沿閃電通道進入先導內，先導內電荷密度增加，電場又會逐漸增強，在強度到達空氣介質擊穿強度值時，空氣介質再次發生擊穿，先導又會嚮前推進，循此往復，形成閃電的梯級發展通道。電場能量是電場的基本屬性之一，大氣電場能量的分布和維持、雷暴電場能量的分布形成、雷暴電場能量損耗形式等也是大氣電學研究的問題之一。以往的研究中實際觀測資料較少，本書對這些問題進行瞭簡單的分析。雷暴總是和降水相伴，雷暴和降水形成需要的大氣條件有很多相同的地方，本書就雷雨雲中空氣介質特性，闡述瞭雷暴形成與降水形成之間相互影響和依存的關係。大氣中的雷暴形成後，經常發生劇烈的閃電現象，對人類的生産、生活産生危害，本書對雷電危害類型、雷電防護的一般概念進行瞭介紹。本書還對海洋和沙漠上空的雷電為什麼偏少、實際閃電與實驗長間隙放電實驗之間的差異、韆年古塔未遭雷電危害的原因、消雷的可能性等問題進行瞭討論。謹嚮所有幫助我寫成和齣版此書的同事、朋友和齣版社編輯等緻謝，特彆感謝西安交通大學施圍教授在我寫成此書的過程中給予的鼓勵和幫助。由於作者水平有限，書中難免存在不妥和疏漏之處，懇請讀者批評指正。
申積良
2017 年5 月於長沙

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