2.2 雷电的光、热、冲击波与机械效应

2.2.1 雷电的光效应

雷电过程产生强大的闪电电流，在峰值温度高达上万摄氏度的闪电通道中，各种气体原子和分子等粒子激发到高能级。当这些高能级的气体分子和原子跃迁到低能级时，便形成光辐射，这种光辐射通常短暂而强烈。光谱范围从紫外到红外，利用闪电的可见光辐射可进行闪电的光谱观测，从而获得闪电的结构。常用的闪电光谱测量仪器有窄缝光谱计、无缝闪电光谱计和光电探测器的光谱仪等。

雷电信息瞬息万变，这给对它的测量和研究带来了很大的困难。雷电发生、发展的随机性和瞬时性导致了利用其他测量方法难以实现对通道等离子体诊断。因此，在闪电的物理研究中，光谱作为反映闪电放电通道内部等离子体行为的唯一形式，一直是人们关心的课题。利用光谱观测能在一定的距离内获取闪电通道内部的物理信息，通过对闪电光谱的分析，可以直接获得通道温度和电子密度等反映等离子体基本特性的参数。由回击通道的温度和电子密度，又可以推算出通道的电导率、压强、相对质量密度、电离百分率、各种离子浓度等闪电通道物理参量，对闪电过程物理机制的研究有重要的意义。等离子体的辐射特性直接反映了闪电形成和发展的物理过程，也与通道中各种化学反应密切相关。

闪电产生大量在近红外区域的光辐射，并且有很强的光谱线，而在近红外区域连续辐射比较弱，分子散射也比可见光范围的弱，所以红外光谱是研究闪电通道光谱的最好选择，而红外光谱波段的OI777.4mm和NI868.3nm也成为星载雷电光学探测的首选谱线。目前，许多学者计算的闪电通道温度是使用回击前期产生的等离子体的特征光谱获得的，关于闪电通道红外波段的光谱观测很少。而闪电通道近红外光谱大部分是通道演化后期的中性原子辐射产生的，它们与通道中的各种化学反应密切相关。因此，定量分析近红外光谱也可以提供闪电的低温低电流过程和长过程如连续电流阶段的内部信息，对闪电过程物理机制的研究有重要的意义。

2.2.2 雷电的热效应

强大的雷电流通过被雷击的物体时，会产生很高的温度而发生融化、气化或燃烧现象，这便是雷电的热效应。在雷电的回击过程中，雷云对地放电的峰值电流可达105A以上，瞬间功率可达1011W以上。根据焦耳定律可知，一次闪击的雷电流发出的热量Q为

式中　Q——发热量，J；

i——雷电流强度，A；

R——雷电流通道的电阻，Ω；

t——雷电流的持续时间，s。

由于雷电流持续的时间很短，产生的热量来不及扩散，几乎全部都用来提升物体的温度。雷电流在电流通路上由电流引起的温升ΔT为

式中 ΔT——温升，K；

m——通过雷电流的物体的质量，kg；

c——通过雷电流物体的比热容，J/（kg·K）。

由式（2-2）可见，温升幅度与Q成正比。由于雷电流很大，通过的时间又短，如果雷电击在树木或建筑物构件上，被雷击的物体瞬间将产生大量热，又来不及散热，以致物体内部的水分大量变成蒸汽，并迅速膨胀致爆炸，造成破坏。雷电击中地面物体时，巨大的能量在电弧和被击中物体之间传输，雷电通道内的温度可达3万K。在如此高温的通道中如果遇到易燃物质，可能会引起火灾。

对于金属表面来说，燃弧电压几乎总是不变的，由燃弧电压产生的燃弧热与雷电流所传输的电荷成正比。如果金属体的截面积不够大，燃弧热就可以使其熔化。一般来说，雷电的热效应所带来的瞬间局部高温可以使较小体积的金属熔化，而对于大面积的金属作用就不那么明显了，这就是为什么遇到雷击的细架空明线会断掉而避雷针却无大碍，仅仅在针的表面留下小坑点的原因。如果闪电的半峰值时间较长，高温持续的时间较长，就会积聚更多的热量，造成严重的后果。瞬间的高温有时还会使物体发生热击穿，而是否发生热击穿则取决于被击中物体的材料、厚度以及雷电流的峰值和持续时间等。因此，在设计雷电防护系统的时候，可以适当增大所有可能承载雷电流的被保护物体的截面积来减少温升，避免物体燃烧或爆炸的危险。另外，设计时还需要考虑到雷电的趋肤效应，因为雷电流通过时，趋肤效应会使物体表面所达到的最大温度比直流均匀流过截面时的温度高得多。

日常生活中，由于闪电的热效应造成易爆物品燃烧以及金属熔化、飞溅等引起的火灾或爆炸事故不胜枚举，有时甚至造成大规模或超大规模集成电路接口和模块损坏，所以必须重视对闪电热效应的防护。

2.2.3 雷电的冲击波效应

1．雷电冲击波的产生

闪电的主通道是一个温度高达104～105K的高温等离子区，电流通过它只有几十微秒，电流的幅值却高达2×104A。据估计，平均每1cm长的闪电通道上在瞬间便可释放104J的能量。雷电主通道可以看成是一个柱形的等离子体，在通道内，强电流感应出的磁场对等离子柱产生一个方向向内的束缚磁压力，而随温度迅速升高、压力迅速增大，这时等离子体要迅速向外膨胀。这时，在闪电通道周围形成气压、介质密度、温度及速度的突变面，沿着闪电通道的径向产生巨大的气压梯度，放电电流由大变小直至最后其磁场压力无法束缚住等离子柱体时，闪电通道即迅速向外扩展，闪电通道成为雷电冲击波的波源。当其扩展速度超过声速时，则可产生一个冲击波，这种冲击波与爆炸时产生的冲击波是类似的，可以使附近的建筑物、人、动物受到破坏或损害。冲击波的强度取决于回击电流的峰值和上升速率，其破坏作用与波阵面气压和环境大气压有关。冲击波在大气中传播会逐渐减弱，退化为一个声波，形成雷声。产生冲击波的同时，由于雷云的流动，使周围空气压力形成了次声波，次声波对人、畜也有一定的伤害作用。

2．雷电冲击波的影响

目前，对闪电冲击波形成直接观测较为困难，因此大多采用与地闪相近似的长火花放电模拟闪电，从而研究闪电冲击波的形成。由火花放电的研究表明，当在1μs以内，1 cm的火花通道释放的电能达0.1～1J、火花放电功率达105～106W时，会形成一次爆炸过程，同时产生冲击波，并以1～5km/s的速度向外传播。模拟试验表明，在火花放电的初始阶段，火花通道的径向扩展速度高达每秒几千米，同时长火花产生冲击波波阵面的超压随着与长火花通道距离的增加而急剧减小。当离长火花通道为0.3m时，长火花产生冲击波波阵面的超压约为10kPa；而当离长火花通道为3m时，它产生的超压平均仅为1.5kPa。图2-2所示可以看出冲击波波峰随闪电通道距离的衰减，图中给出了回击后4个不同时间通道中超压及冲击波波峰前距离的关系，其初始线源半径0.6mm，假定通道为对称圆柱体，闪电脉冲电流I为其中，I0=30000A, a=3×104/s, b=3×105/s。

理论计算结果表明，闪电通道的初始半径越小，则闪电通道电流越大，径向扩展速度越大。在地闪初始阶段，闪电通道的径向扩展速度可达1.6km/s左右，远大于声波的速度。地闪回击的初始阶段，可形成闪电冲击波波阵面的超高压达一千千帕至几千千帕，可以在距离闪电通道几厘米至几米左右的周围造成破坏。

冲击波的强度与闪电电流的大小密切相关，而它的破坏程度与冲击波波阵面的超压P有关。冲击波波阵面的超压P是指冲击波波阵面气压PS与大气气压P0的差，P值越大，造成的破坏程度也越大。当P=7×103Pa时，只造成玻璃震碎等轻微破坏；当P=3.8×104Pa时，可使厚约20cm的厚墙遭到破坏。在强闪电时，在闪电回击通道附近几厘米到几米的范围，初始时P可以达到106Pa数量级。在长达数千米的巨型电气火花闪电正前方的冲击波，波阵面每平方厘米面积就有高达70kg的压力，即使离电光4.5m处也有0.7kg的压力。可见，雷电的冲击波效应的影响不可轻视。

2.2.4 雷电的机械效应

发生雷击时，雷电的机械效应所产生的破坏作用通常表现为径向自压缩力、内部气压和电动力作用三种形式。

1．径向自压缩力

载有电流的一段孤立导体会受到沿半径方向向内的自压缩力，这就是径向自压缩力。在导体表面磁场强度达到每米几兆安量级的地方，由于径向自压缩力导体将会出现剧烈的机械扭曲。例如，直径为5mm的导体承载峰值电流200kA，径向自压缩力将达到1.01325×105kPa（即1000个标准大气压）。理论上，该压力的大小与电流大小的平方成正比，与直径的平方成反比。当雷电击中物体时，热效应和径向自压缩力都会使物体材料的屈服点降低。如果径向压缩力超过了材料的屈服点，被击中物体就会发生形变，或者使原本组合在一起的不同材料发生剥离、分层或脱模。如果雷电流密度非常大，径向自压缩力也会很大，再加上物体表面的束缚力因热量而削弱，巨大的径向自压缩力将会冲出物体表面，使物体发生爆炸或其他损坏。

2．内部气压

由雷电的热效应可知，雷电通道内的温度非常高，高幅值的雷电流也会产生大量的热。当被击物中有巨大的雷电流经过时，此热量会向被击中物体内渗透，则原先残留于电介质（如玻璃纤维、碳素纤维混合物、砖石建筑材料等）蜂窝状孔穴中的水分急剧蒸发为大量气体，被击物缝隙中的气体也剧烈膨胀。因而在被击物体内部会出现强大的机械压力，致使被击物体遭受严重破坏甚至发生爆炸。

3．电动力作用

由物理学可知，在载流导体周围空间存在磁场，在磁场里的载流导体会受到电磁力的作用，导体受到的电磁作用力称为电动力。这种电动力作用的时间极短，远小于导体的机械振动周期，导体在它的作用下常出现炸裂、劈开的现象。根据安培定律，在两根平行导线上通过相同方向的电流时，导线受到的力迫使它们有靠拢的趋势。当雷电流很大时，由于电动力的作用，也有可能使两根导线折断。

雷击中，常见树木劈裂、房屋破坏、器物爆裂爆炸等现象，这些都是雷电的机械效应引起的。当雷击通道气压超过1.01325MPa（即10个标准大气压）时，雷击所产生的破坏力相当于数吨TNT的威力。所以在防雷减灾的工作建设中，应该对闪电的机械效应给予高度的重视。