應(yīng)縣木塔雷擊過程分析

趙 敏 文

(中國移動通信集團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間

1.1 條紋相機直擊雷的照片分析

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)是由普通相機拍攝的，閃電呈線一條線。

圖2是對Boys高速條紋相機攝取的閃電過程時間展開分析圖[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，實線表示亮光，向下的箭頭表示了先導(dǎo)向地面發(fā)展圖時的亮光，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發(fā)出的強烈閃電，各部分的作用時間直接標在了圖中，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]，當空氣的原子被電離成離子和電子時，會放出光子，它們復(fù)合成原子時也會放出光子；這些光子就是看到的光線。圖1說明在“梯級先導(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)的時間變成很短的了，閃電的時間則相當。

1.2 雷云向地面輸送電荷的時間

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)電時會有光線發(fā)出，如火花和電弧放電，這是因為空氣擊穿變成離子后，電源不斷向擊穿的通道輸送電子，電子與通道中的離子進行復(fù)合成各種原子，原子在電場的作用下又電離，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]說明這個電離的部分是等離子體，由于等離子體呈現(xiàn)電中性，正負電荷相等，又沒有碰撞過程的發(fā)生[4]，所以就是黑暗的。這個現(xiàn)象說明了直擊雷在“梯級先導(dǎo)”時期雷云中是沒有電荷進入到電離通道中的。所以雷云要向地面輸送電荷只能在閃電70 μs的時間內(nèi)。

2 閃電時沒有電荷入地

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入到地球，如圖3中所示L。帶電粒子雖然很小，但相對于電子的質(zhì)量，它仍然是非常大，所以在閃電期間內(nèi)向地球運動的規(guī)律應(yīng)遵循牛頓第二定律和位移公式。在閃電時間的70 μs內(nèi)，帶電粒子移動的距離為圖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電荷的復(fù)合和原子的電離活動，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間內(nèi)不斷地進入到閃電的通道，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，如果電荷隨時間的推移而進入地球，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部分，明亮的部分是一長段。高壓電源擊穿間隙時，電離通道中連續(xù)有電子進入和流出，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，可以斷定這兩個物理現(xiàn)象有著本質(zhì)的不同，這個不同點就是電離通道中有沒有電荷的流動，閃電電離通道中沒有電荷的流動而電弧通道中有。

雷電放電是自然界的超長間隙放電，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，流注理論同時指出流注是空間電荷團強烈電離的發(fā)生區(qū)，空間電荷團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)在空間電荷團的電位高于雷云中的電位，所以雷云中必定沒有電荷進入先導(dǎo)通道。

2.2 云中電荷性質(zhì)決定閃電時沒有電荷入地

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算在閃電期間有多少電荷進入到地球。

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個冰核[8]。云中空氣是運動的[2]，云中冰晶因運動碰撞而產(chǎn)生電荷的轉(zhuǎn)移，生成了帶有電荷的冰晶[9]。閃電的時間內(nèi)有多少帶電冰晶入地,根據(jù)觀測在高度為2 900 m冰晶平均直徑在75 μm～180 μm,濃度為3.8×104個/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

當大小不同的冰晶碰撞時，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，此時大小冰晶攜帶的電荷量相等，符號相反。

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

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

表2 標準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強度產(chǎn)生靜電力作用下作等速運動的速度值；離子的運動速度v與電場強度的關(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計算輕離子在閃電期間內(nèi)移動的距離，再結(jié)合雷云中的電荷密度就可以計算出向地面輸送的電荷量。

取k=1.91的負輕離子，閃電時間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。

通過上述計算，在雷電70 μs的時間內(nèi)入地的電荷量僅在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入地面的結(jié)論。從帶電粒子在雷電期間移動的距離看，負輕離子也僅有4 cm，根本不可能從天空進入到地面。

3 對應(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

雷云的體量較大，水平尺度為幾千米～幾十千米，甚至可達幾百千米，垂直尺度可達12 km[2]；根據(jù)電荷守恒定律，雷云對外是呈電中性的。通過對雷云探測的結(jié)果說明很強的電場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]。當距離這些強電荷區(qū)域遠大于它們的尺度時，就可以將它們看作是一個點電荷[14]，它們所形成的電場就是一種不均勻的電場，它們形成的電場強度就可以按點電荷的公式來計算。

標準空氣狀態(tài)下空氣的擊穿電壓為3 MV/m，此時空氣絕對濕度為11 g/m3[3]；但對雷云中電壓強度測試表明最大為1.3 MV/m[2]，這樣的強度顯然不能擊穿空氣。空氣在畸變電場和濕度(雷云中濕度高的僅為4.5 g/m3)[2]降低的情況下，擊穿電壓都會降低[3]，所以雷云中不均勻的電荷團所形成的畸變電場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的電勢差為1.8 MV；通過實驗可知，當正棒負板形成的畸變電場情況下，擊穿2.5 m的空氣間隙僅需1.1 MV的電壓差[3]，1.8 MV的電勢差在畸變電場的情況下是可以擊穿空氣的。

流注理論認為在pd很大時，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]。在高電壓放電實驗中，發(fā)現(xiàn)火花有從正電極發(fā)展出來的火花通道和從負電極發(fā)展出來的火花通道；也有從電極中間任意一點開始的火花通道[15]，這一點和雷電在空中將空氣電離就完全一樣。實驗證明了只要有足夠強的電場存在，空氣就能被擊穿并不需要由具體物質(zhì)組成的電極[3]。所以當雷云中畸變電場達到一定程度時完全可以將空氣擊穿，這時就可以用流注理論來解釋雷電現(xiàn)象，流注理論就是在進行大量實驗研究和對雷電觀測的基礎(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)生成了負電荷，正負電荷相吸引，向下先導(dǎo)就向木塔靠近移動，雷電就打向了木塔；當先導(dǎo)流注空間正電荷團和塔剎產(chǎn)生的向上迎面先導(dǎo)的空間正電荷團的電位差可以擊穿它們之間的空氣間隙時，空氣間隙就被擊穿，此時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形成電場的作用，其中的正離子和電子也進行復(fù)合并消失，形成了我們看到的很長但光線不太強的閃電，如圖5a)中的不明亮的部分，直擊雷過程就結(jié)束了。

下面進一步說明直擊雷時電荷的相互關(guān)系，圖8是直擊雷發(fā)生時的各物質(zhì)電荷關(guān)系圖。

圖8中分為如下幾個部分：

1)向下先導(dǎo)流注。

分為先導(dǎo)等離子體和空間正電荷團；這部分的等離子體是從空中向地面的，當空間正電荷團因空氣間隙被擊穿后而和電子復(fù)合消失后，等離子體就進行復(fù)合形成了閃電，其特點是長而不亮，這是因為形成梯級先導(dǎo)的電離過程時間較長，電離通道受電離發(fā)出的熱量的作用發(fā)生擴散[3]，通道內(nèi)帶電粒子的密度較低，所以復(fù)合的時間較長空氣形成不了沖擊波[16]，也就不會發(fā)出巨大的雷聲。

特別地，空間電荷團靠近地面時，如果空氣的濕度較大，空氣中的水分使空間正電荷團流注的二次電子崩受到了抑制[3]，空間正電荷團衰減較快，它所形成的電場不能維持先導(dǎo)等離子體的存在，先導(dǎo)等離子體中的電荷就進行復(fù)合，這時就會出現(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的存在，當先導(dǎo)等離子體消失而空間正電荷團依然存在時，這時的空間正電荷團就成為了我們看到的“球形閃電”，由于組成空間正電荷團的電荷是由質(zhì)子形成的離子，是原子尺度的尺寸，可以穿入任何縫隙，甚至進入到飛機機艙；球形閃電中的正電荷團繼續(xù)進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)，也不能長時間維持自持放電，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)正電荷團和迎面向上先導(dǎo)正電荷團之間的空氣間隙，它被兩個正電荷團的電位差擊穿后，在非常短的時間內(nèi)進行電離和復(fù)合，從而發(fā)出了強烈的光線，閃電最明亮的部分就是它所發(fā)出的，同時產(chǎn)生巨大的雷聲；這是由于空氣間隙被擊穿的時間非常短，從圖2得知這個時間為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)生負電荷而生成的電場引起的，圖9是高速相機拍攝的向上先導(dǎo)流注。塔剎是細長的結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)使感應(yīng)電荷形成的電場發(fā)生畸變，畸變后的電場更容易擊穿空氣[3]，也有學(xué)者將細長物體形成的畸變電場而擊穿空氣稱為電場放大，在一個長短軸之比為30的細長橢圓體頂部，電場將增強300倍[17]，上述情況和電暈放電的性質(zhì)是相符合的。高電壓實驗證明當外施電壓較高電暈放電較強時，則轉(zhuǎn)變?yōu)椴痪鶆虻摹⒉环€(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)合時能發(fā)出較強的光線，但這個光線強度比不上空氣間隙擊穿所產(chǎn)生的光線。

4)兩個正電荷團的消失。

上下先導(dǎo)的正電荷團是先導(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，這樣正電荷團就消失了。

5)塔剎感應(yīng)負電荷及馳豫電流。

塔剎感應(yīng)負電荷是由向下先導(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)；當空間正電荷消失后，感應(yīng)的負電荷也就會消失，使金屬塔剎由帶電狀態(tài)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這時塔剎中的電子會重新進行分布，在這個過程中電子的流動就會在塔剎的金屬中產(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，同時金屬的馳豫時間又是非常短的在10-14S級，因此在塔剎上就形成了一個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試，幾十米長的電視塔桅桿上的馳豫電流可達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)致馳豫時間較長可達數(shù)十微秒，如在533 m高的莫斯科電視塔上測量的馳豫電流時間在40 μs以上[6]。無論是用羅氏線圈還是用磁鋼剩磁法來測量電視塔桅桿的所謂雷電流，其實測量到的都是桅桿電子重新分布時的馳豫電流。

如果將塔剎換成其他的能感應(yīng)生成正負電荷的物體，這個物體被空間正電荷團感應(yīng)生成負電荷，正負電荷相吸引，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)直擊雷時無電荷入地；

2)直擊雷的過程可以用流注理論進行解釋；

3)用羅氏線圈和磁鋼剩磁測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的馳豫電流。

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