浅析雷云电荷分布结构及地闪的特征
罗佳俊
天津市防雷技术中心 300074
载要：自然科学要求所有的理论都必须是通过反复的实验推导出。雷电属于大气电学的一个分支理论，也不例外。本文将笔者在2007年雷雨季节通过现有雷电监测仪器监测到的数据和其它监测数据来分析雷云电荷分布结构和由雷云引起的地闪的一些特征。从而对雷云和地闪有更深刻的了解，并能更好地指导防雷工作。
关键词：电荷分布 正地闪 负地闪 论证
引言：我国早在公元前1500年的殷商时代就有关于雷电的记载。但是各国对雷电的认识和研究，从16实际才真正的开始。从第一个起电机的创造，到莱顿瓶的发明，再到富兰克林风筝实验引电的成功，对于雷电的研究，人类的脚步从来没有停止过。20世纪上半个世纪，C.T.R.Wilson通过制造的毛细管静电计来测量闪电时垂直电场的变化，由此可靠地确定雷暴过程的云中含电量，并推算出云中电量和电荷的分布。从而揭开了雷电神秘的面纱，并初步建立起雷电科学。进入二十世纪末期，随着计算机的发展，对于雷电的研究进入了一个崭新的时期。科学家利用各种电场监测仪、闪电定位仪等各种探测系统，通过实时监测数据，为人类更好地研究大气电学提供了可靠的资料。本文将从现有雷电监测仪器监测到的数据来分析雷云电荷分布结构和由雷云引起的地闪的一些特征。
1、概念定义
静电感应：当某种原因（带电或置于电场中）使导体内部存在电场时，自由电子受到电场力的作用而作定向运动，使导体一侧因电子的聚集而出现负电荷布，另一侧因缺少电子而有正电荷分布，这就是静电感应。大气电学中讲，由于雷云的作用，使其附近导体上感应出与雷云符号相反的电荷。这种现象称为静电感应。
地闪：云与大地之间的一种放电过程。
由于历史的原因，大家工人的定义是：雷电流的正方向为自云向地，闪电电流为正的地闪称为正地闪。反之，闪电电流自地面指向上方的地闪称为负地闪。电场从高空指向地面的方向规定为正。
2、雷云电荷分布结构的证明
晴天时地面带着负电荷，而大气中的电离层含有净的正电荷，所以大气中时刻存在正的电场，称为大气电场。其方向指向地面,强度随时间、地点、天气状况和离地面的高度而变。晴天电场是作为参考的正常状态的大气电场。大气电学中规定这种指向铅直朝下的电场为正电场，其梯度称为大气电势梯度。晴天电场随纬度而增大，称为纬度效应。就全球平均而言，电场强度在陆地上为120伏/米左右。但是在发生雷暴时，雷云的下端带负电荷，在静电感应的作用下，地面附近物体会带上相反的电荷，即正电荷，从而形成垂直向上的大气电场，与晴天大气电场的方向相反，为负值。当云地之间的电场达到放电时的临界场强（约为25～30kv/cm）时，就会发生闪电。
以下图片是2007年6月27日14：52、14：53和14：55时 分布在天津市区的7个大气电场监测仪实时监控采集到的数据。
根据天津市气象台雨情公报第34期（2007.6.28） 受高空槽影响，本市昨天白天到夜间普降雷阵雨，雨量分布不均……看出在6月27日，天津市区有雷阵雨。
以上数据表明：①6月27日下雨时，大气电场以负电场为主，证明大地表面感应出正电荷，根据静电感应理论得出在雷云下方带有大量负电荷，而任何导体都是呈电中性的，因此分析雷云的上部带有与下部等量相反的正电荷。②在空间电场大于大气游离放电的临界强度时，就会发生雷云之间或雷云与大地之间的火花放电，即发生闪电现象。从图像上看出，在11：00到12：30左右在民族中学附近范围内发生过闪电。从作者当天的观察天气记录和气象台公布的雨情公报来看，当天中午时段确实有过雷闪。而此时的电气电场平均值约为-3500kv/m。
3、正地闪、负地闪次数的特征分析
柱状图为2007年1～6月每月监测到的正负地闪次数，蓝色为负地闪，红色代表正地闪。黄色曲线图则是正地闪次数与负地闪次数的比值。由图4可以看出，在进入地闪高发季节后，负地闪的次数上升较快。而正地闪与之相比变化却并不是很剧烈。这一点由他们的比值变化表现的更为明显。在进入5月份后，正负地闪数量的比值已经下降到了0.1以下。而负地闪占总地闪的比例较大正是夏季雷暴的一个特点之一。
从以上统计数据可以看出，发生闪电时，负地闪多于正地闪。（图片来源于中国雷电监测网络）
4、正地闪、负地闪的综合特征分析
以下图片是2007年7月21日00：00～7月22日15：00湖南省雷电监测产品。
从以上监测结果得出，发生闪电时，负地闪多于正地闪。8月21日负地闪所占总闪电次数的94.1％，8月22日负地闪占总闪电次数的87.7%，平均比例为：90.9％。正地闪强度大于负地闪强度。
结论：从雷云中电荷分布结构来看，云层上部带大量正电荷，下部带大量负电荷，所以雷雨云下部以负电荷为主，离地面较近，更容易与大地发生放电现象，即容易发生负地闪；而云中的大部分正电荷离地面较远，相对负地闪而言，对地放电要困难些，所以正地闪的次数少。但是，由于云中的正负电荷量基本相等，所以正地闪必须比负地闪输送更多的电量，因此，正地闪的电流明显大于负地闪。
参考文献：
[1] 梅卫群，江燕如《建筑防雷工程与设计》气象出版社，2004
[2] 虞昊，《现代防雷技术基础》 清华大学出版社， 2005 第二版
[3] 天津市气象台雨情公报第34期（2007.6.28）
[4] 湖南省防雷信息网8月21日—22日全省雷电监测产品