雷电危害的探究

【摘 要】雷电是严重威胁人类生命财产安全的一大自然灾害，要想科学地防御雷电灾害，减少或防止它对人类生命财产安全造成的威胁，必须认真研究雷电发生规律、雷电危害种类、雷电危害机理、雷击形式、雷暴天气成因及消散等问题。

【关键词】雷电危害；问题；探究

1.南阳雷电的发生规律

南阳市位于河南省西南部，因地处伏牛山以南、汉水以北而得名。南接湖北，西连陕西，三面环山，中部平坦，素称“南阳盆地”，是一个相对独立的地理单元。总面积2.66万平方公里，山区、丘陵、平原各约占1/3。大部分地区平均雷暴日数在29天以上，最多可达到50天以上，为多雷暴活动区，每年都有因雷击而造成损失和伤亡的事故发生。南阳雷暴活动的季节性特点较强，一年四季均可以出现，但最集中出现在夏季（6-8月份），夏季雷暴日数占全年雷暴日数的60%以上；其次出现在春季和秋季，约占年雷暴日数的20%和10%；冬季出现雷暴的机率较小，且一般多出现在2月份。南阳雷暴开始和结束的时间各县、各年之间的差异也很大。南阳雷暴最早出现的月份在1月份，而有的年份直到6月份才开始闻雷声。就多年平均而言，雷暴平均开始时间“山区早于平原，山区一般始于3月份，平原一般多始于4月份，雷暴结束时间平均在9月份和10月份。据气象资料统计我市最早雷暴初日出现在1月26日，最晚雷暴结束在12月21日。由此可见，我市雷暴在一年四季均可发生，只是在夏季特别集中，冬季较少而已。

2.雷电危害种类

雷电所造成的雷击具有极大的破坏性，全球平均每年因雷击灾害造成的损失在10亿美元以上，已成为国民经济发展的严重障碍。雷电灾害主要包括：⑴雷击造成人员伤亡，据不完全统计估算我国每年因雷击伤亡超过一万人，其中死亡3000人以上；⑵雷击是森林火灾的重要原因之一，不同地区的森林火灾有30-70%是雷击造成的，雷击还同时破坏森林生态平衡；⑶即是有了接闪杆，雷击建筑物、军事设施、油库等恶性事故仍然频繁发生；⑷半个多世纪以来，雷击事故一直是电力部门最重要的灾祸之一，供电线路和设备都是雷电的袭击对象；⑸随着通讯现代化技术的发展，雷电破坏计算机网络和通讯设施成为一种新的、快速增长的、破坏严重的灾害，尤其对邮电、电信、金融、宣传、广播、电视、教育和其他信息传播行业危害性更大；⑹雷电还威胁着航天、航空、火箭发射等事业。

3.雷电危害机理

3.1雷电的热效应和机械效应

根据焦耳定律，闪电击中地面物之后，很大的雷电流要在很短时间内通过被击物，在雷电通道上产生局部瞬时高温，这就是强大的闪电电流通过被击的物体时产生的热效应。高达6000-10000℃的瞬时高温足以引起通道上的易燃物、树木和木结构因高温起火，即是小体积的金属物、薄金属板、粗大的钢管等也会被融化；另一方面因为高温产生的热量来不及散发，导致被雷击物体内的水分剧烈蒸发变为蒸汽，蒸汽迅速膨胀产生的机械效应可以使树木劈裂。20世纪80年代以前的雷击灾害主要是闪电效应引起的，20世纪80年代以后，通讯、计算机、自动控制等技术飞速发展，雷电感应、高电位反击越来越突出，尤其是新型设备和产品（如大规模集成电路接口和模块）易遭雷击损害，归根到底，仍然是闪电的热效应和机械效惹的祸。

3.2雷电的电动力效应

从物理学知道，两根载流导体相互之间存在电磁力的作用，这就是电动力。由于雷电流的峰值很大，作用时间很短，它产生的电动力具有冲力特性，所以雷电的电动力效应有两种破坏性：一种情况是在建筑物的钢筋之间或引下线与接地体的连接端采用金属绑扎，如因接触面锈蚀等原因产生电火花，对易燃易爆物品场所是十分危险的，所以这种情况下应当焊接施工；另一种情况是拐弯的导体或金属构件，如避雷引下线、避雷带、楼顶的各种金属构件等，在拐弯处将受到电动力作用，角度越小受到的电动力越大，在锐角情况下，有可能被电动力折断，所以，尽可能避免用直角或锐角，不得已情况下，用弧形转弯，即“软连接”，并用机械固定法固定。

3.3雷电的冲击波效应

闪电通道上的空气受热急剧膨胀，并以超声速度向四周扩散，使空气被强烈压缩形成“激波”，“激波”达到前后，空气的密度、温度、气压都发生突增突减，就像炸弹爆炸一样，使附近的建筑物、构筑物遭破坏，人、畜遭受伤亡。它的强度与闪电电流大小密切相关。与“激波”相似，雷雨云放电后迅速收缩，云中形成稀疏区和压缩区，它向外传播形成次声波，次声波对人畜也有伤害作用。

3.4雷电反击和雷电引入高电位

雷电放电发生瞬间，雷电流会在接受直击雷的金属体如接闪器、引下线、接地体或建筑物金属管道等导体上产生很高的电位，而此时没有闪电电流通过的建筑物、管道、线路、人体、设备等与大地等电位连接，即是电力线路上的电压和雷电流产生的高电压相比也是微不足道的，当两者相距较近时，就可能发生放电，也叫闪络放电，这种现象就称为雷电反击。当雷击树木时，树木上的高电压与它附近的建筑物、金属物品、人畜等也会发生反击。电子仪器、计算机等都要接地，这些地线与防雷接地线如果靠近埋设，防雷地线就可与其它地线发生反击，于是这些地线会成为电压很高的高压端，与电源线之间的电势关系反转，足以击坏各种电子器件和电器设备。另外，雷电引入高电位通常是指直击雷或感应雷雷电流从供电电线、通讯电缆、天线等金属导体进入建筑物内发生反击而造成事故。

3.5雷电的电磁感应和静电感应

由雷云引起的电磁感应和静电感应所产生的雷击统称为感应雷，又称为二次雷。当天空中出现带电的雷云时，由于静电感应，雷云下的地面及建筑物等都带上与雷云相反的电荷，当雷击发生以后，雷云上的电荷迅速通过闪击与地面上的异种电荷中和消失，而地面某些局部地区的电荷由于散流电阻大，而不能在同样短的时间内消失，这样，就会形成局部地区的感应高电压。这种感应高电压对接地不良的电气系统有强烈的破坏作用，常常击毁电气、电子等设备，在建筑物内部的金属构架与接地不良的金属器件之间易产生电火花，对于存放易燃易爆物品如汽油、瓦斯、火药的厂房以及大量可燃性微粒飞扬的场所如面粉厂、亚麻厂有引起爆炸的危险。同时，当云与云或云与地之间发生放电时，由于强大的雷电流在瞬间发生急剧变化，在它周围空间内产生强大变化的电磁场，处在这种电磁场中的导体会感应出较大的感应电动势，形成很高的感应电压闭合导体则会产生感应电流，以产生电火花，可以使易燃品着火，使易燃气体爆炸。如果回路中有导体接触不良，也会发热酿成火灾，如南阳卷烟厂仓库存放着烟叶包，1995年7月15日在雷击中因电磁感应使绑扎的烟叶包的铁丝接触点发热产生火花，引起了火灾。另外，这种雷电电磁感应和静电感应产生的高电压，可对其它物体发生闪击，同时强烈的电磁脉冲也会使计算机等微电子产品和设备失效或毁坏，无线电收音机吱吱啦啦的噪音就是雷电所造成的。

3.6雷电产生的接触电压和跨步电压

闪电沿着金属架空物、大树、避雷引下线等入地时，都会使流经的途径上产生电位降，这些物体的各部分相对于大地都有瞬间的高电压，电压大小取决于闪电电流和这些部位与大地之间的电阻。当人的手或身体任何部位与它们接触时，身体接触点与站在地面的双脚之间就有了高电压，这就是接触电压，可以将人击死。例如经常会听说有人正在打电话时被雷击死或麻痹，这就是雷电流沿电话线传输，握电话的手与站立的脚之间产生的接触电压。2004年长城雷击事件，我们认为就是典型的接触电压造成雷击死亡，当打手机人在长城上处于很高的位置时，手机处于头部较高位置，手机大部分由金属物制成，相当于接闪器，接到雷电后，电流沿身体经过心脏导致人员死亡。而不是人们传说的手机信号引雷的说法。当然因闪电电流的强弱和电话线路接地电阻大小和手机的外漏金属的多少的不同，人受雷击的程度也不同。另一方面，当雷电流传入大地，在地表之下流动时，由于大地的电阻同样要产生电位降，闪电入地点的电位最高，越远处电位越低，雷电流几乎为零的地方就是工程上讲的零电位。当人两脚分开站立时，两脚之间就存在电压，这种电压叫跨步电压，也可以产生雷击，足以致命。人、畜在旷野里被雷击多是跨步电压的危害，由于人受跨步电压雷击时，电流从下肢传输，不经过心脏和大脑，所以，弱一些的雷电跨步电压还不至于击死人；但是，牲畜是四脚着地，且前后腿距离大，跨步电压大，雷电流经过心脏，所以雷击死牲畜的事件就很多。为尽量避免雷电产生的接触电压和跨步电压对人的危害，各种引下线、接地线等都应当远离人行通道和人们经常出入的场所。

4.雷击形式

通常所说的雷击是指一部分带电的云层与另一部分带异种电荷的云层，或者是带电的云层对大地之间的迅猛放电现象。带电的云层对大地上某一点之间发生的放电现象，称为直击雷，即雷电直接击中地面上的某一物体，如建筑物、人畜或其它物体等。

那么，什么是感应雷击呢？由于雷电而引起的静电感应和电磁感应所产生的雷击统称为感应雷，又称为二次雷。一般来说，感应雷没有直击雷那么猛烈，但它发生的几率比直击雷高得多，危害性越来越大，越来越突出。因为直击雷只有发生云对地闪击时，才会对地面上的物体或人造成灾害，而感应雷击，不论雷云对地闪击，或是雷云之间发生闪击，都可能发生并造成灾害。此外，直击雷袭击的范围较小，而一次雷闪可以在比较大的范围内多个小局部同时发生感应高电压现象，并且这种感应高电压可以通过电力线、电话线、各种馈线及信号线等金属导线传输到很远，致使雷害范围扩大。特别是进入20世纪80年代以后，大量的微电子设备及高集成化电子设备（如计算机、通讯设备及工业自动化系统）已广泛应用。雷电具有高电压、大电流和瞬时性特点，强大的闪电产生静电场、电磁场和电磁辐射以及雷电波侵入、地电位反击。其严重干扰无线通讯和各种电子设备的正常工作，在一定范围内对微电子设备造成破坏。感应雷击已成为雷电灾害的主要方面。

5.雷暴天气成因及消散

发生雷暴时，通常出现雷电、阵雨、阵风等天气现象以及压、温、湿等气象要素的变化，这些现象主要发生在雷暴云的成熟阶段。雷电是由积雨云中冰晶“温差起电”以及其它起电作用所造成的，一般当云顶发展到-20℃等温线高度以上时，云中便有了足够多的冰晶就会出现闪电和雷鸣，所以，第一次闻雷，表明云顶已达-20℃等温线高度附近。一般来说，云中放电强度及频繁程度与雷暴云的高度、强度有关，随着云顶增高，闪电、雷鸣便愈益频繁。根据雷电现象可以判断雷暴强度。在雷暴云中，上升气流最强区附近，一般有一大水滴累积区，当累积超过上升气流承托能力时，便开始降雨。雷暴群和雷暴带形成的降水区也成片状或带状。由于下沉气流水滴的蒸发，使下沉气流几乎保持饱和状态。在雷暴云下形成一个近乎饱和的冷空气堆，因其密度较大所以气压较高。当雷暴云向前移动时，云下的雷暴高压也随之向前移动。强雷暴系统既具有与一般雷暴相同的特征，又有其本身特有的特征。强雷暴强表现在系统中的垂直气流强度以及垂直气流的有组织程度和不对称性。在强雷暴中，当其发展到一定阶段时，会出现一个可以维持数小时之久的、近乎稳定的、较大较强的以及高度有组织和不对称的垂直环流。强雷暴可以按其结构特征划分为不同的类型。常见的有超级单体风暴、多单体风暴和飓线等几类。

当天空中有雷云的时候，因雷云带有大量的电荷，由于静电感应作用，雷云下方的地面和地面上的物体都带上了与雷云相反的的电荷，这样雷云与地面之间就形成了一个电场，成为一个大的电容器。当雷云与地面之间的电压高达一定值的时候，地面上突出的物体就会比较明显地放电，这就是通常说的“尖端放电”。同时，带电的雷云在电场的作用下，少数带电粒子也会向地面靠拢，形成电离的微弱通道，这一阶段称为先驱放电。先驱放电是不连续的，是一个一个脉冲地相继向前发展，常常表现为分枝状，这些分枝达到地面。当先驱放电达到地面或与大地的放电通道迎面会合以后，就开始主放电阶段。在主放电中，雷云与大地之间所聚集的大量电荷通过先驱放电所开辟的狭小的电离通道发生猛烈的电离中和，放出巨大的能量，以致发出强烈的闪光和震耳的轰鸣，这就是雷暴消散的基本过程。

6.结束语

本文对南阳雷电发生规律、雷电危害种类、雷电危害机理、雷击形式、雷暴天气成因及消散问题进行了探究，这对提高雷电灾害的预测、预报和防御能力的研究起着很重要的作用。由于本人的学识水平有限，对理论的研究还很欠缺，在今后的工作中会更加努力，为防御雷电灾害做出应有的贡献。以上论述不足之处敬请批评指正！

【参考文献】

[1]周子平.雷电灾害与科普知识.河南科技报社出版，2006.262.

[2]朱乾根，林锦瑞.天气学原理和方法.气象出版社，2000.400.

[3]王振华.雷电灾害与雷电预警.银声音像出版社，2003.11.