雷电冲击波效应：特点和影响

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，1cm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。

(www.xing528.com)

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。

图2-2　对于4个不同时间通道中超压与通道半径间的关系（1atm=101.325kPa）

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。