浅谈地滚雷与雷暴的对比分析及研究

【摘要】：本文通过阐述地滚雷的产生原因、生成现象、物理作用及危害，并与雷暴进行对比分析研究，提出了雷电监测预警的方法和雷电防护的措施，对地滚雷进行全面综合的防范。

【关键词】：地滚雷；监测预警；雷电防护；

[Abstract]: This paper explains the causes to rolling thunder, generating phenomena, physical function and harm, and makes a comparative analysis on thunderstorm, put forward lightning monitor and early warning method and lightning protection measures of rolling thunder, comprehensive prevention.

[Key words]: rolling thunder; lightning protection; monitoring and early warning;

引言

雷电是一种自然现象，其巨大能量所造成的轰鸣、强光和破坏，从古至今令人生畏而又难以预测。雷电能造成人员伤亡，能使建筑物起火、击毁，能对电力、电话、计算机及其网络等设备造成严重破坏。而且随着城市高楼大厦的崛起，雷电危害造成的损失越来越坏的情况有日益严重的趋势，中国每年有三四千人因雷击伤亡，造成财产损失50亿至100亿元。而地滚雷在雷击破坏中约占14%左右，尤其对建在高山上的通信、雷达、气象站，更应重点作好对地滚雷的防范。

一、成因分析

地滚雷也叫球形闪电、电光火球、球形雷等。球形雷是由某种特殊的带电流体形成的，它以一种发光球形出现，直径一般不超过30厘米，随着地面形状在低空滚动呈漂浮状态，持续时间大多只有几秒种，但它常会具有上千摄氏度的高温火焰，有数百万伏的电压，数千安培的电流。球形雷的发生概率较低，但其危害破坏作用大，而且无孔不入，可通过烟囱、门窗缝隙入室或沿线路穿孔进入室内，这种火球碰到人会造成人员严重的烧伤或死亡，对用电设备、电子产品极具破坏力。当它接触到某些可燃物体或可燃气体的时候,能够引起火灾爆炸，当它接触到某些金属物体时,甚至可以将金属部件熔化，造成严重破坏。

雷雨云中大量带有正负电荷的微粒分离，在云中形成若干个正负电荷中心。随着电场的增大,就会产生云层间和云地间的放电，使电介质-空气击穿，随即产生强大的电流，电流经过的通道产生高温等离子体，并将等离子激发至高能态放出强光，强电流传导通道就形成闪电，随着高温而产生的高压等离子体因急剧膨胀而消散，产生强烈的纵波向周围扩散造成巨大的雷声，这就是雷电产生的机理。

枝状闪电较为平常，而奇特的球状闪电则很少见。从目击者的描述来看，球形雷有许多奇异的特征。球形雷一般为球状，也有环状、柱状的，从拳头到脸盆大小的都有，往往呈橙黄色，像气球一样飘忽不定，但能逆风飘移，常伴有嘶嘶的响声；有的能量非常大，有热辐射效应，能灼伤人体、破坏建筑或引起燃烧；少部分能量很小，没有热感，像冷的物体一样；常有电磁效应，它喜欢沿着导体运动,能使电器设备烧毁短路。

球形雷既神秘又令人费解，目前有化学燃烧论、核反应论、射频论、等离子论等各种解释，由于球形雷比较罕见，目前难以进行实验研究验证，这些解释也只能是一些假说。但从大多数球闪有较强的电磁效应（比如仅使非金属中的金属熔化,容易使其所经之处停电）来看，这说明球形雷是等离子体的观点更为合理些。下面我们就运用电磁学理论结合等离子体特点分析球形雷形成的原因。

雷雨天气中积雨云层底部一般会积累大量的负电荷，并在地面感应出等量的正电荷，因此形成强大的电场。当电场强度达到能电离空气中的大量分子时，空气就不再是绝缘体，放电就要产生，地面和云层分别伸出带有正负电荷的火舌迅速汇合，在电火舌交汇之处产生强大的放电电流。根据安培环路定律该强放电电流必然同时产生强大的磁场。

闪电发生时主闪放电可达1万~10万安培，闪道半径一般为1~5厘米，闪电通道边缘的磁场强度最大，磁感应强度为2000~4000高斯，闪道内的磁场是内弱外强的，起到对等离子体的箍缩作用。

强大的电流使得闪道内的温度可达20000℃，必然使闪道内的空气形成腊肠等离子体，由于电火舌交汇处放电电流最为强大，此处的腊肠等离子体的截面最宽，根据等离子体的腊肠截断效应，腊肠截面较窄的等离子体容易消散，在火舌交汇点的等离子体最易存留。同闪电电流同时产生的磁场先于等离子体存在,磁场就固化在等离子体中。由于闪电电流是瞬间的放电电流，放电后电流必然很快消失，这时如果没有等离子体，其周围的磁场也必然同时消失，但由于等离子体的电磁特性，即便原磁场消失等离子体内也会产生环形感应电流，以保持原来体内的磁场分布，感应电流相当于环形螺线管电流，在内部产生磁场，此磁场应等于原磁场。由最大感应电流总和的数量关系式可知，球闪的内部电流最大可达16万~32万安培！由此可见等离子体内的环形感应电流总和可能十分强大，每个环形电流对其流经的等离子体都有箍缩作用，相邻的环形电流也有相互吸引作用，相当于两个N极S极相邻的小磁针，产生对整体的箍缩作用，箍缩力显然与感应电流强度成正比关系，由于感应电流强度很大，箍缩力就十分巨大，足以同等离子体内的高温膨胀力相平衡，形成天然的球状磁瓶式的等离子约束体，一般来说球闪直径应为闪道直径的2倍，当箍缩力较大时球闪体积就会变小些，当内部膨胀力较大时，球闪的体积就会变大些。由于感应电流的自然减弱，其对等离子体的箍缩力也会降低，但由于热辐射等离子体的压强也会随温度降低而下降，球闪在一定时间内是能够维持动态平衡的，因而体积不会发生明显变化，因此由高温等离子体组成的球形雷可存在10秒钟甚至更长时间。

球形雷很轻并有磁场，根据楞次定律，当有物体接近它时，它易使该物体产生有排斥力的微弱感应电流，当有物体离它远去时，它易使物体产生有吸引力的微弱感应电流，因此球形雷有排斥同实物物体接触的能力。如果目击者试图接近它，它会躲避；如果目击者想躲避它，它还会跟随而来；有时球形雷也会沿着导体或烟道飞行，它的磁场会给其临近的金属造成涡型感应电流而使金属融化，它的磁场可以随着等离子体伸缩而伸缩，有时它可能安然挤过窄缝。球闪是电磁体，飘忽不定，在电磁场的作用下可能逆风飘移，能够严重干扰和破坏电器设备，有时会造成导线融化、电路短路,导致严重的停电事故。球闪表面的电流同外部空气摩擦或轻微放电而产生嘶嘶的声音，其体内感应电流也能长时间激发等离子体发光，由于感应电流分散和自耗，其激发等离子发光已不如放电发光的强度大，一般球闪呈现不十分耀眼的橙黄色。有的球闪内部等离子体的温度较低，较弱的电流就能约束其形成球形闪电，这种球闪能量低，属于冷球闪。

当然由于热辐射和焦耳热最终将使球闪熄灭，随着感应电流的减弱其磁场也会减弱，其排斥同其他物体接触的能力就会降低，如果球闪带有一定的净电荷，它就同周围形成电势差，就有可能因同周围物体放电而解体，由于感应电流约束解除，内部的高温等离子体喷出而伴随有较大的爆裂声。如果球闪净电荷为零且内部温度较低，它就可能悄悄地消逝。