书城自然科学学生气象知识丛书-人工影响天气
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第6章 驯服雷电(2)

此避雷系统的引下线既非裸导体,也非一般绝缘电缆,而是导体套导体电缆。当引下线仅仅与建筑物绝缘时,强大的静电感应仍存在于绝缘导体与建筑物之间,倘若不把电极绝缘,建筑物又会带电,故采用专用屏蔽电缆——导体套导体电缆作为引下线。雷电流泄下时,由于容抗小,电缆呈现很低的特性阻抗,从而限制了电压的过度升高,也即由于电容较大,使峰值电流被大量吸收,限制了电压升高。因此不但不产生跳击,还与建筑物绝缘,并可以铺设于电缆井道内。

E.F.系统的保护区设计比较简单,根据E.F.电极型号确定保护半径。

当建筑物高度不超过20米时,以试选电极为圆心,电极保护半径之长画一半球,半球及整个底部均为保护区域。当采用S50型电极,不足以保护建筑物整体时,应采用更大的型号,如用S100型的电极,即可保护整个建筑物。

当建筑物高度超过50米时,保护区域以电极为圆心,以保护半径之长画圆,从半圆外缘画两条与垂线成30°角的斜线,半圆与两条斜线包围部分即为保护区。

当高度介于20—50米之间建筑物,上述两种保护区设计可任选一种。

五、避雷器防雷法

避雷器是为了保护设备不受感应雷和雷电波入侵的损害。其防雷原理是:通过间隙击穿达到对地放电目的,它必须与被保护设备并联。避雷器的间隙击穿电压比被保护的设备绝缘的击穿电压低,正常工作电压时,避雷器间隙不会被击穿,当雷电波沿导线传来,出现危及被保护设备的过电压时,避雷器间隙很快被击穿,对地放电,使大量的电荷都泄入地中,从而限制了被保护设备过电压起到保护设备的作用。过电压过去以后,间隙能迅速恢复灭弧,使被保护设备工作正常。或者是采用大面积无源波导元件,让有用信号波与雷电波信号分开,有用信号进入接收装置,而让雷电波对地放电,使大量的电荷泄入地中,起到保护设备的作用。

六、消雷器防雷法

消雷器的主要原理,是当雷云移动到消雷器的上方,消雷器在雷云电场启动下,产生电晕电流,电晕区内场强可达280万伏特/米。电晕电流一方面在消雷器上空形成V型空间电荷屏蔽层,另一方面与雷云电荷中和,从而削弱雷云电场,使雷电不击穿空气放电,起到消雷作用,让被保护物免遭雷击。

七、人体避免雷击伤害

雷击对人体造成的伤害又可分为直接雷击和间接雷击两种。如果闪电直接击中人体,雷电流经人体流入地里,这就是直接雷击。就造成伤亡的机会而言,间接雷击往往比直接雷击更频繁。间接雷击分接触电压、旁侧网络和跨步电压三种。它们是由于人体接触雷击物或与雷击物相距较近而造成事故的。

雷暴期间,如果条件允许的话,最好寻找可靠的避雷场所。如有避雷装置的建筑物、钢架建筑物和钢筋混凝土建筑物(至少垂直方向的钢筋应是连贯而下的)等,或有完整金属车厢的汽车和车辆(不包括敞篷车)也可以利用。具有一些连贯的垂直金属接地物,如钢柱、自来水管、暖气管或煤气管的建筑物也有一定避雷作用。但在这种建筑物内,要回避钢窗、烟囱、外墙和顶楼等处,不要接触或靠近上面讲的那些钢柱、管道以及连有室内或室外天线的收音机、电视机,要远离电话和电线,特别是要远离有室外引入线的地方。

从国外统计资料看,发生雷击事故最多的五种情况是:树下、开阔的水面上、敞篷车上、高尔夫球场和雷暴期间打电话。

雷暴期间切莫靠近那些长在空旷地带或山顶上的孤立树木,某些缺乏避雷知识的人往往站在这种树下避雨,尤其是站在向两旁伸展很远的低枝下面,这是极危险的。树越高,危险越大,雷击事故中以树下伤亡为最多。

开阔的水面包括江、河、湖、海和露天游泳池。如果正在游泳时遇到雷暴,要尽快上岸,不要待在没有避雷设备的小船上。此外,高大树木的林子边缘,电线、天线架和旗杆周围,没有避雷设备的物体,如干草堆和帐篷、观测塔、大吊车等附近,铁路、延伸很长的金属栏杆和其他庞大的金属物体等,山顶、山梁和制高点等,这些地方都很不安全,应尽量避开。

雷暴期间最好不要骑马、骑自行车、驾驶摩托车和敞篷车,不要将铁锹、锄头、十字镐等扛得高高的,不要站在汽车附近或把身体靠在车外,不要靠近避雷设备的任何部分,尽可能不要使用电话。

人们在野外,尤其是在山上,遇到天上有云并地面上发生“尖端放电”现象时,应尽快找地方躲避。尖端放电是在强电场下的一种气体放电现象,当它特别强烈时,可以看到放电尖端周围有淡蓝色的光晕。1975年8月一个炎热的下午,许多观光者来到美国加州某山峰的旅游胜地,这时远处乌云袭来,由于尖端放电的作用,在场者有6人“怒发冲冠”,正在嬉笑取乐、竞相拍照之际,却祸从天降。大约五分钟之后,一个闪电猛然袭来,使得1人死亡、1人致残、6人受伤。这个教训告诉我们,尖端放电是闪电的先兆,若发生这种毛发倒竖现象,表明闪电即将来临,应迅速避开。

在野外工作或旅游的人,如果不能立即找到安全的避雷场所,怎么办呢?必须牢记两条:一是人体的位置应尽量降低,尽量避免突出;二是两脚要尽量靠近,尽量减少人体与地面的接触面积。

因此,在野外遇到雷电交加的情况应蹲下或跪下,双脚并拢,双手放膝上,身体前屈,除膝和脚外,任何部分不要接触地面。如能披上雨衣,防雷效果会更好些。千万注意不要躺在地上,因为人体与地接触面积愈大,危险性也愈大。躺在沟里或土坑里也是危险的,因为这些地方的湿土比之周围更易遭雷击。

人群在野外,特别是在山上遇到雷电时,无论跑步、走路、蹲下或跪倒,彼此都应该相隔几米,不要挤在一起。

野外还有些天然的避雷场所可以利用。例如山洞,但要注意人必须坐或蹲在洞的中央,身体各部分不要与四壁接触,以免有接触电压。如果有一片密林,则可选择林中空地,与四周各树保持差不多的距离(注意不要在孤树下,不要在林子边缘),这时四周的树亦可以起到避雷针的作用。

(第四节)人工影响雷电

一、人工减弱云内电场

闪电是雷雨云中强大的正、负电荷中心之间,或者云体下部的荷电中心与地面之间的放电现象。这种巨大的火花放电过程是怎样发生的呢?原来,雷雨云中存在的荷电中心,将使其周围产生强大的大气电场。如果在大气电场中放置一个单位正电荷,那么它将受到云中正电荷排斥、负电荷的吸引而产生运动。这个单位正电荷移动的方向就是大气电场的方向。大气电场的数值则用该处沿电场方向上相隔l米时的电位差值表示,即用伏特/米来度量。云中电位相同各点所组成的曲面叫等电位面,等电位面是一种人为的科学表示方法。等电位面疏、密分布的实况,十分形象地表示了云中电场强度的实际分布。

当云中荷电中心周围局部地区的大气电场高达100万伏特/米左右时,云雾大气被电离击穿而产生闪电。由于闪电只有在云中具备极强的大气电场时才能发生,因此十分自然地就会想到,如果用人工方法使云中正、负荷电中心逐渐中和,就使云中大气电场的数值大幅度下降,从而达到抑制闪电发生的目的。

使雷雨云中正、负荷电中心逐渐中和,从而降低云中大气电场最简单而又现实的办法,就是在大气电场达到相当数值的雷雨云中撒播大量金属细丝或镀有金属的尼龙细丝。这时在细丝附近的大气等电位面发生极大的畸变,在细丝两端,雷雨云中大气等电位面的垂直剖面分布及大气电场方向等电位面变得十分密集,因此产生很大的局部电场。当细丝两端的畸变电场达到300万伏特/米左右时,大气中的正、负离子就会在这样强的电场中产生高速运动,并不断碰撞大气分子而产生大量次生大气离子,从而形成局部空间的持续气体放电现象,同时还往往伴有微弱发光,这就是电晕放电。电晕放电结果会产生大量正、负离子,这些正、负离子就像导线中的自由电子一样,使原来绝缘良好的大气,导电性能大为改善。

通常,在晴天正常情况下,大气离子的产生主要依靠地壳中的放射物质和来自太空的宇宙射线的离化作用。这种作用只能使地面附近每立方厘米的空间每秒钟内产生10对左右的正、负离子,因而大气导电性能极差。相比之下,如果在大气电场超过3万伏特/米的雷雨云中,放置一根比头发丝还细,仅几十微米粗,约几厘米长的金属细丝时,那么就会形成电晕放电,这时每立方厘米的空间每秒钟内将产生几百万对正、负离子,比晴天大气的离化程度高几十万倍。大气离子的大量生成,使大气导电性能也相应提高了五个数量级左右。当然,所产生的大量正、负离子,其中有一部分将重新复合为中性分子。另一些则被云滴捕获,失去灵活运动、导电良好的效果,起不到提高大气导电性能的作用。

总之,由于金属细丝的电晕放电所形成的为数众多的大气正、负离子,它们在云中正、负荷电中心所构成的大气电场作用下,将产生运动而形成大气电流。这就使云中正、负荷电中心积聚的电量因逐步中和而减弱,最后导致云中大气电场的迅速下降,从而抑制闪电的发生。

不过雷雨云就像一台发电机,不断产生新的荷电中心,荷电中心的电荷量也在不断重新聚积。因此,只有当云中撒播金属细丝后所产生的大气电流,中和云中荷电中心电荷量的速度超过雷雨云不断自行产生电荷的速度时,才能使云中电场大幅度下降,有效地抑制闪电的发生。