2.2 雷電的光、熱、沖擊波與機械效應

2.2.1 雷電的光效應

雷電過程產生強大的閃電電流，在峰值溫度高達上萬攝氏度的閃電通道中，各種氣體原子和分子等粒子激發到高能級。當這些高能級的氣體分子和原子躍遷到低能級時，便形成光輻射，這種光輻射通常短暫而強烈。光譜范圍從紫外到紅外，利用閃電的可見光輻射可進行閃電的光譜觀測，從而獲得閃電的結構。常用的閃電光譜測量儀器有窄縫光譜計、無縫閃電光譜計和光電探測器的光譜儀等。

雷電信息瞬息萬變，這給對它的測量和研究帶來了很大的困難。雷電發生、發展的隨機性和瞬時性導致了利用其他測量方法難以實現對通道等離子體診斷。因此，在閃電的物理研究中，光譜作為反映閃電放電通道內部等離子體行為的唯一形式，一直是人們關心的課題。利用光譜觀測能在一定的距離內獲取閃電通道內部的物理信息，通過對閃電光譜的分析，可以直接獲得通道溫度和電子密度等反映等離子體基本特性的參數。由回擊通道的溫度和電子密度，又可以推算出通道的電導率、壓強、相對質量密度、電離百分率、各種離子濃度等閃電通道物理參量，對閃電過程物理機制的研究有重要的意義。等離子體的輻射特性直接反映了閃電形成和發展的物理過程，也與通道中各種化學反應密切相關。

閃電產生大量在近紅外區域的光輻射，并且有很強的光譜線，而在近紅外區域連續輻射比較弱，分子散射也比可見光范圍的弱，所以紅外光譜是研究閃電通道光譜的最好選擇，而紅外光譜波段的OI777.4mm和NI868.3nm也成為星載雷電光學探測的首選譜線。目前，許多學者計算的閃電通道溫度是使用回擊前期產生的等離子體的特征光譜獲得的，關于閃電通道紅外波段的光譜觀測很少。而閃電通道近紅外光譜大部分是通道演化后期的中性原子輻射產生的，它們與通道中的各種化學反應密切相關。因此，定量分析近紅外光譜也可以提供閃電的低溫低電流過程和長過程如連續電流階段的內部信息，對閃電過程物理機制的研究有重要的意義。

2.2.2 雷電的熱效應

強大的雷電流通過被雷擊的物體時，會產生很高的溫度而發生融化、氣化或燃燒現象，這便是雷電的熱效應。在雷電的回擊過程中，雷云對地放電的峰值電流可達105A以上，瞬間功率可達1011W以上。根據焦耳定律可知，一次閃擊的雷電流發出的熱量Q為

式中　Q——發熱量，J；

i——雷電流強度，A；

R——雷電流通道的電阻，Ω；

t——雷電流的持續時間，s。

由于雷電流持續的時間很短，產生的熱量來不及擴散，幾乎全部都用來提升物體的溫度。雷電流在電流通路上由電流引起的溫升ΔT為

式中 ΔT——溫升，K；

m——通過雷電流的物體的質量，kg；

c——通過雷電流物體的比熱容，J/（kg·K）。

由式（2-2）可見，溫升幅度與Q成正比。由于雷電流很大，通過的時間又短，如果雷電擊在樹木或建筑物構件上，被雷擊的物體瞬間將產生大量熱，又來不及散熱，以致物體內部的水分大量變成蒸汽，并迅速膨脹致爆炸，造成破壞。雷電擊中地面物體時，巨大的能量在電弧和被擊中物體之間傳輸，雷電通道內的溫度可達3萬K。在如此高溫的通道中如果遇到易燃物質，可能會引起火災。

對于金屬表面來說，燃弧電壓幾乎總是不變的，由燃弧電壓產生的燃弧熱與雷電流所傳輸的電荷成正比。如果金屬體的截面積不夠大，燃弧熱就可以使其熔化。一般來說，雷電的熱效應所帶來的瞬間局部高溫可以使較小體積的金屬熔化，而對于大面積的金屬作用就不那么明顯了，這就是為什么遇到雷擊的細架空明線會斷掉而避雷針卻無大礙，僅僅在針的表面留下小坑點的原因。如果閃電的半峰值時間較長，高溫持續的時間較長，就會積聚更多的熱量，造成嚴重的后果。瞬間的高溫有時還會使物體發生熱擊穿，而是否發生熱擊穿則取決于被擊中物體的材料、厚度以及雷電流的峰值和持續時間等。因此，在設計雷電防護系統的時候，可以適當增大所有可能承載雷電流的被保護物體的截面積來減少溫升，避免物體燃燒或爆炸的危險。另外，設計時還需要考慮到雷電的趨膚效應，因為雷電流通過時，趨膚效應會使物體表面所達到的最大溫度比直流均勻流過截面時的溫度高得多。

日常生活中，由于閃電的熱效應造成易爆物品燃燒以及金屬熔化、飛濺等引起的火災或爆炸事故不勝枚舉，有時甚至造成大規模或超大規模集成電路接口和模塊損壞，所以必須重視對閃電熱效應的防護。

2.2.3 雷電的沖擊波效應

1．雷電沖擊波的產生

閃電的主通道是一個溫度高達104～105K的高溫等離子區，電流通過它只有幾十微秒，電流的幅值卻高達2×104A。據估計，平均每1cm長的閃電通道上在瞬間便可釋放104J的能量。雷電主通道可以看成是一個柱形的等離子體，在通道內，強電流感應出的磁場對等離子柱產生一個方向向內的束縛磁壓力，而隨溫度迅速升高、壓力迅速增大，這時等離子體要迅速向外膨脹。這時，在閃電通道周圍形成氣壓、介質密度、溫度及速度的突變面，沿著閃電通道的徑向產生巨大的氣壓梯度，放電電流由大變小直至最后其磁場壓力無法束縛住等離子柱體時，閃電通道即迅速向外擴展，閃電通道成為雷電沖擊波的波源。當其擴展速度超過聲速時，則可產生一個沖擊波，這種沖擊波與爆炸時產生的沖擊波是類似的，可以使附近的建筑物、人、動物受到破壞或損害。沖擊波的強度取決于回擊電流的峰值和上升速率，其破壞作用與波陣面氣壓和環境大氣壓有關。沖擊波在大氣中傳播會逐漸減弱，退化為一個聲波，形成雷聲。產生沖擊波的同時，由于雷云的流動，使周圍空氣壓力形成了次聲波，次聲波對人、畜也有一定的傷害作用。

2．雷電沖擊波的影響

目前，對閃電沖擊波形成直接觀測較為困難，因此大多采用與地閃相近似的長火花放電模擬閃電，從而研究閃電沖擊波的形成。由火花放電的研究表明，當在1μs以內，1 cm的火花通道釋放的電能達0.1～1J、火花放電功率達105～106W時，會形成一次爆炸過程，同時產生沖擊波，并以1～5km/s的速度向外傳播。模擬試驗表明，在火花放電的初始階段，火花通道的徑向擴展速度高達每秒幾千米，同時長火花產生沖擊波波陣面的超壓隨著與長火花通道距離的增加而急劇減小。當離長火花通道為0.3m時，長火花產生沖擊波波陣面的超壓約為10kPa；而當離長火花通道為3m時，它產生的超壓平均僅為1.5kPa。圖2-2所示可以看出沖擊波波峰隨閃電通道距離的衰減，圖中給出了回擊后4個不同時間通道中超壓及沖擊波波峰前距離的關系，其初始線源半徑0.6mm，假定通道為對稱圓柱體，閃電脈沖電流I為其中，I0=30000A, a=3×104/s, b=3×105/s。

理論計算結果表明，閃電通道的初始半徑越小，則閃電通道電流越大，徑向擴展速度越大。在地閃初始階段，閃電通道的徑向擴展速度可達1.6km/s左右，遠大于聲波的速度。地閃回擊的初始階段，可形成閃電沖擊波波陣面的超高壓達一千千帕至幾千千帕，可以在距離閃電通道幾厘米至幾米左右的周圍造成破壞。

沖擊波的強度與閃電電流的大小密切相關，而它的破壞程度與沖擊波波陣面的超壓P有關。沖擊波波陣面的超壓P是指沖擊波波陣面氣壓PS與大氣氣壓P0的差，P值越大，造成的破壞程度也越大。當P=7×103Pa時，只造成玻璃震碎等輕微破壞；當P=3.8×104Pa時，可使厚約20cm的厚墻遭到破壞。在強閃電時，在閃電回擊通道附近幾厘米到幾米的范圍，初始時P可以達到106Pa數量級。在長達數千米的巨型電氣火花閃電正前方的沖擊波，波陣面每平方厘米面積就有高達70kg的壓力，即使離電光4.5m處也有0.7kg的壓力。可見，雷電的沖擊波效應的影響不可輕視。

2.2.4 雷電的機械效應

發生雷擊時，雷電的機械效應所產生的破壞作用通常表現為徑向自壓縮力、內部氣壓和電動力作用三種形式。

1．徑向自壓縮力

載有電流的一段孤立導體會受到沿半徑方向向內的自壓縮力，這就是徑向自壓縮力。在導體表面磁場強度達到每米幾兆安量級的地方，由于徑向自壓縮力導體將會出現劇烈的機械扭曲。例如，直徑為5mm的導體承載峰值電流200kA，徑向自壓縮力將達到1.01325×105kPa（即1000個標準大氣壓）。理論上，該壓力的大小與電流大小的平方成正比，與直徑的平方成反比。當雷電擊中物體時，熱效應和徑向自壓縮力都會使物體材料的屈服點降低。如果徑向壓縮力超過了材料的屈服點，被擊中物體就會發生形變，或者使原本組合在一起的不同材料發生剝離、分層或脫模。如果雷電流密度非常大，徑向自壓縮力也會很大，再加上物體表面的束縛力因熱量而削弱，巨大的徑向自壓縮力將會沖出物體表面，使物體發生爆炸或其他損壞。

2．內部氣壓

由雷電的熱效應可知，雷電通道內的溫度非常高，高幅值的雷電流也會產生大量的熱。當被擊物中有巨大的雷電流經過時，此熱量會向被擊中物體內滲透，則原先殘留于電介質（如玻璃纖維、碳素纖維混合物、磚石建筑材料等）蜂窩狀孔穴中的水分急劇蒸發為大量氣體，被擊物縫隙中的氣體也劇烈膨脹。因而在被擊物體內部會出現強大的機械壓力，致使被擊物體遭受嚴重破壞甚至發生爆炸。

3．電動力作用

由物理學可知，在載流導體周圍空間存在磁場，在磁場里的載流導體會受到電磁力的作用，導體受到的電磁作用力稱為電動力。這種電動力作用的時間極短，遠小于導體的機械振動周期，導體在它的作用下常出現炸裂、劈開的現象。根據安培定律，在兩根平行導線上通過相同方向的電流時，導線受到的力迫使它們有靠攏的趨勢。當雷電流很大時，由于電動力的作用，也有可能使兩根導線折斷。

雷擊中，常見樹木劈裂、房屋破壞、器物爆裂爆炸等現象，這些都是雷電的機械效應引起的。當雷擊通道氣壓超過1.01325MPa（即10個標準大氣壓）時，雷擊所產生的破壞力相當于數噸TNT的威力。所以在防雷減災的工作建設中，應該對閃電的機械效應給予高度的重視。