應(yīng)縣木塔雷擊過程分析

趙 敏 文

(中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司江門分公司，廣東 江門 529000)

0 引言

郝孝智、關(guān)象石兩位學(xué)者確認(rèn)了2002年9月應(yīng)縣木塔遭受雷擊[1]。木塔結(jié)構(gòu)為木質(zhì)塔體，塔頂上部裝有近10 m高的金屬塔剎。與大地絕緣的塔剎是不能將電荷泄放到大地之中的，如果雷擊時(shí)有電荷入地則違反了歐姆定律。用富蘭克林雷電理論不能解釋這個(gè)現(xiàn)象，而用流注理論就可以得到合理的解釋。

1 雷云向地面輸送電荷的時(shí)間

1.1 條紋相機(jī)直擊雷的照片分析

圖1是閃電過程[2]，分為兩部分，圖1a)是由Boys高速條紋相機(jī)攝取的，可以看到直擊雷有逐漸向下(地面)的梯形發(fā)展過程，圖1b)是由普通相機(jī)拍攝的，閃電呈線一條線。

圖2是對(duì)Boys高速條紋相機(jī)攝取的閃電過程時(shí)間展開分析圖[2]，圖中用弧形虛線條表示梯形先導(dǎo)的發(fā)展過程中沒有光線發(fā)出部分的軌跡，實(shí)線表示亮光，向下的箭頭表示了先導(dǎo)向地面發(fā)展圖時(shí)的亮光，有些線條交叉代表了梯形先導(dǎo)發(fā)展過程中出現(xiàn)的分支，用橫向的短線代表了地閃擊穿時(shí)發(fā)出的強(qiáng)烈閃電，各部分的作用時(shí)間直接標(biāo)在了圖中，說明如下：

1)20 ms部分：是向下的先導(dǎo)部分，這部分表現(xiàn)為閃電是不連續(xù)的，上面是黑的沒有光線發(fā)出，發(fā)光的部分在下面，呈現(xiàn)跳躍的向地面發(fā)展，雷電專業(yè)上稱為“梯級(jí)先導(dǎo)”。

2)70 μs部分：直擊雷擊穿了和地面物體之間的空氣，發(fā)出了從天到地的光線，稱為閃電。根據(jù)空氣電離理論[3]，當(dāng)空氣的原子被電離成離子和電子時(shí)，會(huì)放出光子，它們復(fù)合成原子時(shí)也會(huì)放出光子；這些光子就是看到的光線。圖1說明在“梯級(jí)先導(dǎo)”的大部分路徑是沒有電離或者是復(fù)合的過程的，圖中沒有光線發(fā)出；閃電部分說明從天到地都有離子和電子在復(fù)合或氣體電離；閃電后天空中并沒有亮光，因此說明電離和復(fù)合僅有70 μs，在這之后空氣又成為了不導(dǎo)電的介質(zhì)。

3)后面是1和2的重復(fù)，只不過先導(dǎo)的時(shí)間變成很短的了，閃電的時(shí)間則相當(dāng)。

1.2 雷云向地面輸送電荷的時(shí)間

擊穿的空氣成為離子和電子后，具有導(dǎo)電的能力，但在導(dǎo)電時(shí)會(huì)有光線發(fā)出，如火花和電弧放電，這是因?yàn)榭諝鈸舸┳兂呻x子后，電源不斷向擊穿的通道輸送電子，電子與通道中的離子進(jìn)行復(fù)合成各種原子，原子在電場(chǎng)的作用下又電離，在復(fù)合和電離的過程中發(fā)出光子，電離后多余的電子被電源吸走，形成回路中的電流[3]。圖1中的“梯級(jí)先導(dǎo)”部分，其上部是黑暗的，說明沒有電離或復(fù)合的過程。流注理論[3]說明這個(gè)電離的部分是等離子體，由于等離子體呈現(xiàn)電中性，正負(fù)電荷相等，又沒有碰撞過程的發(fā)生[4]，所以就是黑暗的。這個(gè)現(xiàn)象說明了直擊雷在“梯級(jí)先導(dǎo)”時(shí)期雷云中是沒有電荷進(jìn)入到電離通道中的。所以雷云要向地面輸送電荷只能在閃電70 μs的時(shí)間內(nèi)。

2 閃電時(shí)沒有電荷入地

云就是漂浮在空中的霧[2]，它是介質(zhì)而不是導(dǎo)體，云中沒有自由電子。云中的電荷要進(jìn)入地球，必定是攜帶電荷的粒子經(jīng)過閃電形成的等離子體通道進(jìn)入到地球，如圖3中所示L。帶電粒子雖然很小，但相對(duì)于電子的質(zhì)量，它仍然是非常大，所以在閃電期間內(nèi)向地球運(yùn)動(dòng)的規(guī)律應(yīng)遵循牛頓第二定律和位移公式。在閃電時(shí)間的70 μs內(nèi)，帶電粒子移動(dòng)的距離為圖3中R，則：

F=qE=ma

(1)

(2)

2.1 閃電過程照片表明沒有電荷入地

前述，閃電過程有跳躍發(fā)展的先導(dǎo)，上部沒有光亮，說明電離通道中沒有正負(fù)電荷的復(fù)合和原子的電離活動(dòng)，所以照片就是黑暗的。

高壓大間隙擊穿的電流波形說明了在先導(dǎo)過程中沒有大量電荷流入電離通道中。如圖4所示，在先導(dǎo)過程中回路中的電流是非常非常小的，而間隙擊穿后就產(chǎn)生了非常大的電流[5]。閃電的全程照片也說明了雷云中有電荷入地違反了物理規(guī)律。圖5a)是北京氣象塔被雷擊的照片[6]，可以看出照片中上部和照片中下部閃電的亮度是不一樣的，如果云中有電荷在閃電時(shí)間內(nèi)不斷地進(jìn)入到閃電的通道，通道中的亮度上下應(yīng)該是一樣的，而不是上暗下亮，從式(2)知道，如果電荷隨時(shí)間的推移而進(jìn)入地球，閃電的亮度應(yīng)該是越向地面越亮，而不是明顯地分為明暗的兩個(gè)部分，明亮的部分是一長(zhǎng)段。高壓電源擊穿間隙時(shí)，電離通道中連續(xù)有電子進(jìn)入和流出，其亮度是相同的，如圖5b)所示。

根據(jù)相似理論，現(xiàn)象相似以幾何相似為前提條件[7]。閃電是一半明一半暗，電弧是全部一樣亮，閃電和電弧在幾何上都不相似，可以斷定這兩個(gè)物理現(xiàn)象有著本質(zhì)的不同，這個(gè)不同點(diǎn)就是電離通道中有沒有電荷的流動(dòng)，閃電電離通道中沒有電荷的流動(dòng)而電弧通道中有。

雷電放電是自然界的超長(zhǎng)間隙放電，其先導(dǎo)過程發(fā)展得最充分[5]。根據(jù)流注理論，先導(dǎo)的發(fā)展必然有流注過程，流注理論同時(shí)指出流注是空間電荷團(tuán)強(qiáng)烈電離的發(fā)生區(qū)，空間電荷團(tuán)的電位大于陽極的電位[3]，根據(jù)歐姆定律電流由電位高處流向電位低處，現(xiàn)在空間電荷團(tuán)的電位高于雷云中的電位，所以雷云中必定沒有電荷進(jìn)入先導(dǎo)通道。

2.2 云中電荷性質(zhì)決定閃電時(shí)沒有電荷入地

前已述及，雷云中沒有自由電子，僅有帶電荷的粒子。下面以電荷的冰晶和較小的輕離子來計(jì)算在閃電期間有多少電荷進(jìn)入到地球。

冰晶一般由冰核和水汽的凝結(jié)形成，冰核是非常小和非常輕的，如人工降雨播灑1 g的碘化銀可以產(chǎn)生1012～1013個(gè)冰核[8]。云中空氣是運(yùn)動(dòng)的[2]，云中冰晶因運(yùn)動(dòng)碰撞而產(chǎn)生電荷的轉(zhuǎn)移，生成了帶有電荷的冰晶[9]。閃電的時(shí)間內(nèi)有多少帶電冰晶入地,根據(jù)觀測(cè)在高度為2 900 m冰晶平均直徑在75 μm～180 μm,濃度為3.8×104個(gè)/m3[10]。根據(jù)冰晶尺寸與重量的關(guān)系[11],取冰晶直徑為75 μm,計(jì)算出不同類型冰晶的重量，如表1所示。

表1 不同形狀冰晶重量

當(dāng)大小不同的冰晶碰撞時(shí)，如R=120 μm，r=75 μm，它們的帶電量[2]：

q=FR1.3r1.7≈7.13×10-16C

(3)

根據(jù)電荷守恒定律，此時(shí)大小冰晶攜帶的電荷量相等，符號(hào)相反。

假定雷擊時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度為3 MV/m，冰晶粒子受到電場(chǎng)力的作用，在不考慮庫侖力和大氣阻力的情況，進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)。取質(zhì)量小r=75 μm的霰狀冰晶，移動(dòng)的初速度為0，根據(jù)式(1)，式(2)可以算出在閃電期間冰晶僅移動(dòng)0.19 μm，據(jù)此可以認(rèn)為沒有帶電荷的冰晶在雷電時(shí)進(jìn)入到地球。

下面計(jì)算空氣中另一種非常小的帶電粒子輕離子在雷電時(shí)能向地面輸送多少電荷。輕離子一般只帶有一個(gè)電子的電量，半徑為10-8cm～10-7cm，表征它在電場(chǎng)中移動(dòng)能力的量為電遷移率k，其大小見表2[2]。

表2 標(biāo)準(zhǔn)狀況下輕離子的電遷移率k cm2/(v·s)

k為大氣離子在單位電場(chǎng)強(qiáng)度產(chǎn)生靜電力作用下作等速運(yùn)動(dòng)的速度值；離子的運(yùn)動(dòng)速度v與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系為式(4),位移距離為式(5):

v=k·E

(4)

S=v·t

(5)

根據(jù)圖3計(jì)算輕離子在閃電期間內(nèi)移動(dòng)的距離，再結(jié)合雷云中的電荷密度就可以計(jì)算出向地面輸送的電荷量。

取k=1.91的負(fù)輕離子，閃電時(shí)間t=70 μs，E=30 kV/cm，雷云中的電荷密度[2]A=7×10-15C/cm-3；則入地電荷半徑R內(nèi)的電荷量，通過式(4)，式(5)其值為：Q=1.89×10-12C。

通過上述計(jì)算，在雷電70 μs的時(shí)間內(nèi)入地的電荷量?jī)H在10-12C，由此可以得出在閃電期間，沒有電荷從雷云中通過閃電通道進(jìn)入地面的結(jié)論。從帶電粒子在雷電期間移動(dòng)的距離看，負(fù)輕離子也僅有4 cm，根本不可能從天空進(jìn)入到地面。

3 對(duì)應(yīng)縣木塔受雷擊過程的分析

3.1 雷云中電荷分布及畸變電場(chǎng)

雷云的體量較大，水平尺度為幾千米～幾十千米，甚至可達(dá)幾百千米，垂直尺度可達(dá)12 km[2]；根據(jù)電荷守恒定律，雷云對(duì)外是呈電中性的。通過對(duì)雷云探測(cè)的結(jié)果說明很強(qiáng)的電場(chǎng)只存在于較小的體積中[12]；雷云中電荷是一簇一簇分成的，如圖6所示[13]。當(dāng)距離這些強(qiáng)電荷區(qū)域遠(yuǎn)大于它們的尺度時(shí)，就可以將它們看作是一個(gè)點(diǎn)電荷[14]，它們所形成的電場(chǎng)就是一種不均勻的電場(chǎng)，它們形成的電場(chǎng)強(qiáng)度就可以按點(diǎn)電荷的公式來計(jì)算。

標(biāo)準(zhǔn)空氣狀態(tài)下空氣的擊穿電壓為3 MV/m，此時(shí)空氣絕對(duì)濕度為11 g/m3[3]；但對(duì)雷云中電壓強(qiáng)度測(cè)試表明最大為1.3 MV/m[2]，這樣的強(qiáng)度顯然不能擊穿空氣?？諝庠诨冸妶?chǎng)和濕度(雷云中濕度高的僅為4.5 g/m3)[2]降低的情況下，擊穿電壓都會(huì)降低[3]，所以雷云中不均勻的電荷團(tuán)所形成的畸變電場(chǎng)擊穿空氣就成為了可能。如雷云直徑為1 m的球體內(nèi)含有0.01C的電量，距其10 m和12.5 m的電勢(shì)差為1.8 MV；通過實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)正棒負(fù)板形成的畸變電場(chǎng)情況下，擊穿2.5 m的空氣間隙僅需1.1 MV的電壓差[3]，1.8 MV的電勢(shì)差在畸變電場(chǎng)的情況下是可以擊穿空氣的。

流注理論認(rèn)為在pd很大時(shí)，維持放電自持的是空間光電離，而不是陰極表面的電離過程，和陰極材料基本無關(guān)[3]。在高電壓放電實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)火花有從正電極發(fā)展出來的火花通道和從負(fù)電極發(fā)展出來的火花通道；也有從電極中間任意一點(diǎn)開始的火花通道[15]，這一點(diǎn)和雷電在空中將空氣電離就完全一樣。實(shí)驗(yàn)證明了只要有足夠強(qiáng)的電場(chǎng)存在，空氣就能被擊穿并不需要由具體物質(zhì)組成的電極[3]。所以當(dāng)雷云中畸變電場(chǎng)達(dá)到一定程度時(shí)完全可以將空氣擊穿，這時(shí)就可以用流注理論來解釋雷電現(xiàn)象，流注理論就是在進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究和對(duì)雷電觀測(cè)的基礎(chǔ)上提出的[5]。

3.2 用流注理論分析應(yīng)縣木塔雷擊過程

圖7是應(yīng)縣木塔雷擊示意圖，圖7a)是云中荷電粒子聚集出現(xiàn)電場(chǎng)畸變，引起了空氣初始擊穿，圖7b)是由初始擊穿發(fā)展成向下先導(dǎo)流注，產(chǎn)生了空間正電荷團(tuán)和黑色部分的先導(dǎo)等離子體，圖7c)是在先導(dǎo)流注發(fā)展的過程中，木塔的金屬塔剎感應(yīng)生成了負(fù)電荷，正負(fù)電荷相吸引，向下先導(dǎo)就向木塔靠近移動(dòng)，雷電就打向了木塔；當(dāng)先導(dǎo)流注空間正電荷團(tuán)和塔剎產(chǎn)生的向上迎面先導(dǎo)的空間正電荷團(tuán)的電位差可以擊穿它們之間的空氣間隙時(shí)，空氣間隙就被擊穿，此時(shí)大量的空氣分子被電離和復(fù)合，發(fā)出了耀眼的光芒和巨大的聲響，這就是閃電和雷聲。

同時(shí)由于向下先導(dǎo)等離子體(圖7中黑色線條)沒有了空間正電荷團(tuán)形成電場(chǎng)的作用，其中的正離子和電子也進(jìn)行復(fù)合并消失，形成了我們看到的很長(zhǎng)但光線不太強(qiáng)的閃電，如圖5a)中的不明亮的部分，直擊雷過程就結(jié)束了。

下面進(jìn)一步說明直擊雷時(shí)電荷的相互關(guān)系，圖8是直擊雷發(fā)生時(shí)的各物質(zhì)電荷關(guān)系圖。

圖8中分為如下幾個(gè)部分：

1)向下先導(dǎo)流注。

分為先導(dǎo)等離子體和空間正電荷團(tuán)；這部分的等離子體是從空中向地面的，當(dāng)空間正電荷團(tuán)因空氣間隙被擊穿后而和電子復(fù)合消失后，等離子體就進(jìn)行復(fù)合形成了閃電，其特點(diǎn)是長(zhǎng)而不亮，這是因?yàn)樾纬商菁?jí)先導(dǎo)的電離過程時(shí)間較長(zhǎng)，電離通道受電離發(fā)出的熱量的作用發(fā)生擴(kuò)散[3]，通道內(nèi)帶電粒子的密度較低，所以復(fù)合的時(shí)間較長(zhǎng)空氣形成不了沖擊波[16]，也就不會(huì)發(fā)出巨大的雷聲。

特別地，空間電荷團(tuán)靠近地面時(shí)，如果空氣的濕度較大，空氣中的水分使空間正電荷團(tuán)流注的二次電子崩受到了抑制[3]，空間正電荷團(tuán)衰減較快，它所形成的電場(chǎng)不能維持先導(dǎo)等離子體的存在，先導(dǎo)等離子體中的電荷就進(jìn)行復(fù)合，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)一道無聲的、亮度不大的閃電；由于先導(dǎo)等離子體和空間正電荷團(tuán)是兩種不同狀態(tài)的電荷集合，先導(dǎo)等離子體的消失并不影響空間正電荷團(tuán)的存在，當(dāng)先導(dǎo)等離子體消失而空間正電荷團(tuán)依然存在時(shí)，這時(shí)的空間正電荷團(tuán)就成為了我們看到的“球形閃電”，由于組成空間正電荷團(tuán)的電荷是由質(zhì)子形成的離子，是原子尺度的尺寸，可以穿入任何縫隙，甚至進(jìn)入到飛機(jī)機(jī)艙；球形閃電中的正電荷團(tuán)繼續(xù)進(jìn)行二次電子崩的電離，由于受空氣中水分的影響二次電子崩產(chǎn)生的電子被水分所吸收，不能形成先導(dǎo)，也不能長(zhǎng)時(shí)間維持自持放電，這樣“球形閃電”就很快消失了[2]。

2)空氣間隙。

這是在向下先導(dǎo)正電荷團(tuán)和迎面向上先導(dǎo)正電荷團(tuán)之間的空氣間隙，它被兩個(gè)正電荷團(tuán)的電位差擊穿后，在非常短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行電離和復(fù)合，從而發(fā)出了強(qiáng)烈的光線，閃電最明亮的部分就是它所發(fā)出的，同時(shí)產(chǎn)生巨大的雷聲；這是由于空氣間隙被擊穿的時(shí)間非常短，從圖2得知這個(gè)時(shí)間為70 μs，這樣就和空氣產(chǎn)生物理爆炸一樣[15,16]，爆炸后的沖擊波衰減后就成為雷聲[16]。

3)迎面向上先導(dǎo)流注。

這個(gè)向上先導(dǎo)流注是由于金屬塔剎受向下先導(dǎo)電離流注的空間正電荷感應(yīng)產(chǎn)生負(fù)電荷而生成的電場(chǎng)引起的，圖9是高速相機(jī)拍攝的向上先導(dǎo)流注。塔剎是細(xì)長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)使感應(yīng)電荷形成的電場(chǎng)發(fā)生畸變，畸變后的電場(chǎng)更容易擊穿空氣[3]，也有學(xué)者將細(xì)長(zhǎng)物體形成的畸變電場(chǎng)而擊穿空氣稱為電場(chǎng)放大，在一個(gè)長(zhǎng)短軸之比為30的細(xì)長(zhǎng)橢圓體頂部，電場(chǎng)將增強(qiáng)300倍[17]，上述情況和電暈放電的性質(zhì)是相符合的。高電壓實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)外施電壓較高電暈放電較強(qiáng)時(shí)，則轉(zhuǎn)變?yōu)椴痪鶆虻?、不穩(wěn)定的流注性質(zhì)的自持放電[5]。由圖9可以看出，迎面先導(dǎo)的電離程度較高，很多的氣體原子都被電離，因此在復(fù)合時(shí)能發(fā)出較強(qiáng)的光線，但這個(gè)光線強(qiáng)度比不上空氣間隙擊穿所產(chǎn)生的光線。

4)兩個(gè)正電荷團(tuán)的消失。

上下先導(dǎo)的正電荷團(tuán)是先導(dǎo)頭部，它引發(fā)電離最為劇烈的流注區(qū)，空氣在畸變電場(chǎng)的作用下被電離產(chǎn)生二次電子崩，隨著空氣被擊穿，大量的氣體分子成為了電子和離子，僅有少量的空氣分子未被電離；根據(jù)氣體電離理論[3]，由于空氣分子數(shù)量少，使得二次電子崩難以繼續(xù)，正空間電荷團(tuán)電離出的電子不能轉(zhuǎn)換為光子，仍以電子的形式繼續(xù)存在，這些電子就會(huì)被正電荷所吸引，從而復(fù)合成氣體原子形成閃電，這樣正電荷團(tuán)就消失了。

5)塔剎感應(yīng)負(fù)電荷及馳豫電流。

塔剎感應(yīng)負(fù)電荷是由向下先導(dǎo)流注的空間正電荷感應(yīng)生成。金屬塔剎中的自由電子受到空間正電荷的感應(yīng)后，按照靜電感應(yīng)的規(guī)律進(jìn)行有序的分布排列，使得金屬塔剎呈現(xiàn)出帶電的狀態(tài)；當(dāng)空間正電荷消失后，感應(yīng)的負(fù)電荷也就會(huì)消失，使金屬塔剎由帶電狀態(tài)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這時(shí)塔剎中的電子會(huì)重新進(jìn)行分布，在這個(gè)過程中電子的流動(dòng)就會(huì)在塔剎的金屬中產(chǎn)生馳豫電流；金屬的電導(dǎo)非常大，較少的電荷就能產(chǎn)生極大的馳豫電流，同時(shí)金屬的馳豫時(shí)間又是非常短的在10-14S級(jí)，因此在塔剎上就形成了一個(gè)振蕩衰減的脈沖電流[9]。根據(jù)一些學(xué)者在高聳的電視塔的測(cè)試，幾十米長(zhǎng)的電視塔桅桿上的馳豫電流可達(dá)30 kA～40 kA[6]，由于電視塔桅桿和電視塔體的結(jié)構(gòu)鋼筋相連接，形成的金屬結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜和體量較大，導(dǎo)致馳豫時(shí)間較長(zhǎng)可達(dá)數(shù)十微秒，如在533 m高的莫斯科電視塔上測(cè)量的馳豫電流時(shí)間在40 μs以上[6]。無論是用羅氏線圈還是用磁鋼剩磁法來測(cè)量電視塔桅桿的所謂雷電流，其實(shí)測(cè)量到的都是桅桿電子重新分布時(shí)的馳豫電流。

如果將塔剎換成其他的能感應(yīng)生成正負(fù)電荷的物體，這個(gè)物體被空間正電荷團(tuán)感應(yīng)生成負(fù)電荷，正負(fù)電荷相吸引，雷電就打向該物體，這是直擊雷發(fā)生原因的普遍解釋。

4 結(jié)語

1)直擊雷時(shí)無電荷入地；

2)直擊雷的過程可以用流注理論進(jìn)行解釋；

3)用羅氏線圈和磁鋼剩磁測(cè)量的所謂雷電流就是地面感應(yīng)物體在雷電消失后，地面感應(yīng)物體中電荷重新分布時(shí)的馳豫電流。

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