大气电场中水滴表面电应力的理论计算及实验探讨

在雷雨云中,雨滴在强电场作用下产生变形和破碎的放电过程,是与闪电的形成和发展密切相联系的。因此,大气电场中水滴表面应力的理论计算和分析,是受到广泛重视的研究课题。1964年泰勒(Taylor,G.I.)分析了电场中水滴破碎的问题,在泽伦(Zeleny,J.)、威尔森(Wilson,A.T.)和麦基(Maocky.W.A.)、罗兰(Nolan,P.J.)等人工作的基础上,提出了水滴呈旋转长椭球和呈圆锥状突起时的应力平衡方程。在泰勒等人的工作中,对水滴表面所受电应力的计算分为两种情况。一是水滴本身带电,而无外电场:另一是有外电场,但水滴本身不带电。显然,实际大气还存在既有外电场,同时水滴又带电荷的第三种情况。本文针对上述问题,提出了在均匀电场中,存在长椭球状带电水滴时,在水滴外空间的电势分布表达式,并给出水滴表面电场强度和所受电应力的计算公式并对有关实验进行讨论。     

雷雨云极化降水起电机制的一种计算

本文用一个与时间有关的数值模式,采用极化降水起电机制,模拟雷暴和雹暴中电场增长过程。 计算结果指出,冰雹碰撞冰晶起电率最高,在2—26毫米/时降雹强度形成后约200—750秒内能够产生触发闪电电场,最大电场甚至可达7000伏/厘米。雨滴碰撞云滴起电较弱,但若有足够的起电时间(500—1700秒),也能产生4000伏/厘米左右的电场。产生足以触发闪电电场的临界降雨率是3毫米/时,和实测相符。冰雹碰撞云滴起电,在云滴浓度较高时,有较大起电率。 不同的云滴浓度,可以有差异很大的起电结果。较低的云滴浓度,即便有很强的降雨率也不能产生闪电,这也符合观测结果。 在云中达到的实际最大电场约为4000伏/厘米时,降水元仍有很大降落速度,并不悬浮。电场力对电场增长的抑制作用以及小冰晶的反向电流作用可以忽略。计算得到的单个雹粒电荷量约为-100—-400微微库仑(2—3毫米半径),雨滴电荷为-3—-10微微库仑(0.8毫米半径),和飞机实测结果相符。 云体初始电状态可以改变达到最大电场值的时间,而对电场值影响很小。     

场电特性与防雷工程

引言雷电属于一种场电物理变化的现象。它的各种放电形式、量度取决于雷暴云电场,在大气电场中与地表面土壤电导率及地电场的变化强弱有关。所以若只考虑把建筑物及内部各种防雷接地电阻值控制在一定范围内,是不能满足预防和降低雷电所造成的各种雷害,提高其防雷性能。本文拟通过运用场电变化的几种特性探讨它在防雷工程中的应用。1大气电场与地电场对立统一性自然界中存在着两个相互独立、且又相互影响并形成一种场电变化体系的大气电场与地电场。它们除了其它物理量的相互交换外,大气电场与地电场有电的交换(相互作用),雷电就是它们…     

一个准稳态的全球大气电路模式

本文用一个全球大气电导率模式和一个全球大气电路模式,计算了地形、大气气溶胶及太阳活动对大气电参量的影响,并估算了它们对地面电流密度和电场的分布影响。结果表明:地形的存在使电离层电势增加,雷暴分布的改变对大气电参量平均值无影响;气溶胶浓度与电离层电势及晴天电阻成正相关。宇宙射线与电离层电势及气—地电流成正相关;气溶胶浓度和宇宙射线的变化也会影响到晴天区电场以及雷暴区地面电流密度和电场;太阳质子流的注入使全球地面电场和电流密度增大,电离层电势不变。     

利用极化起电机制模拟闪电之后的电场恢复

本文利用极化起电机制,数值模拟一个电单体闪电之后的电场恢复。经分析发现雷雨云的闪电频数通常都小于25次/5分,而冰雹云却相反。因此,如果假定极化起电机制是形成云内强电场的主要过程,那么,25次/5分的单体闪电频数可作为区分雷雨云和冰雹云的一个指标。 计算指出,高于350次/5分的闪电频数多出现于低电晕触发临界电场和高冰晶浓度的情况下,此时,云内扰动激烈,液态含水量较低,所以成雹较少。计算又指出,闪电之后的电场呈线性恢复,而且变化幅度不大。     

风沙起电的风洞实验研究

利用大型风沙物理风洞实验装置 ,模拟铺沙地面在不同风速条件下对不同粒径的沙样和混合沙的起电电场、电位和荷质比作实验测量。结果表明 :存在风沙起电效应。风洞内电场多为负极性 ,最大电场达到 - 2 9kV·m- 1 ,导线电位可达 12 0mV。沙粒越细 ,起电越强 ,且随风速增加而增大     

大气电场信号无线电传送装置简介

大气电场强度是研究大气电基本参数之一,目前地面平均电场仪仍是测量电场强度的主要手段,利用测得的地面多站电场资料,可以分析雷暴云中的电结构。我们研制了一台无线电传送装置,可把在十几公里外的电场信号送到中心站,这样,可以实现地面电场的两站或多站同步记录。这个装置也可应用于任何一种慢讯号的传输和同步记录。     

大气电场仪在雷电监测预警中的应用

1引言电场探测一般采用导体在电场中产生感应电荷的原理。从探测的对象上可分为地面大气电场探测、空中电场探测及空间电场探测。现阶段主要是对地面大气电场进行探测,从而监测被探测地区上空雷雨云的整个过程（起电过程、电荷积累程度和消散过程）。     

强风暴电过程对霰粒子含量和谱分布影响的数值模拟研究

利用建立的耦合电过程三维冰粒子分档模式(通过引入电场力来考虑电场对粒子的影响),模拟研究了北京一次强雷暴发展过程中电过程对霰粒子含量、数浓度的影响。结果发现:(1)相对小的霰粒子含量受电过程直接影响较大,这种影响累积后,会对相对较大的霰粒子含量产生间接作用。在冰雹发展的初期和成熟期的部分阶段,电场对霰粒子最大含量所处空间位置基本没有影响。而在冰雹发展的成熟期向衰败期过渡时的部分时刻,电场对其稍有影响。在霰粒子最大含量处,直径相对较大的霰粒子决定着总的霰粒子含量。(2)总体来说,直径较小的霰粒子数浓度受电场影响较大,直径较大的霰粒子数浓度受电场影响较小。由于霰粒子含量中心大直径粒子较多,而其受电场的影响相对较小,并且该处电场也小于电场极值,故其最大含量受电场影响相对较小。所以,在此次个例的模拟过程中,霰粒子最大含量的时变曲线变化很小。(3)考虑电过程情况下,在霰粒子数浓度最大处,小直径霰粒子数浓度要么增加,要么略微减少,而大直径霰粒子要么进档增长受阻,要么数浓度减少。对不同直径的霰粒子来说,电过程既有可能使其数浓度增加,又有可能使其数浓度减少。当电场较大时,电过程对小直径霰粒子的影响比较直接,而对大直径霰粒子的...     

电场信号自记用时标仪

本文介绍了利用石英晶体钟的显示信号,经过变换得到记录电场信号所需的串行时标输出。     

雷暴起电过程的电响应考察

为了研究日地耦合过程中太阳活动与雷暴数的相关,我们通过对一雷暴起电过程的模拟来考察可能的太阳活动引起的大气电参数的变化对雷暴起电过程的影响。结果表明:低层电位梯度的增强将有益于起电的发展。尽管通常测得的一倍以下的变化对起电影响不大,但若局域性的二至三倍以上的增强会显著地加速起电的发展。离子过程在起电中的作用是低一量级的效应,起电初时电荷分离很弱,任何小的扰动都可能抑制电场增长,初始晴天电场的增大将有利于加速起电正向发展,而其它有关雷暴动力学因子的考察与前人工作相一致。     

雹云中与冰相有关的起电机制

本文从近代大量观测事实,尤其是七十年代发现的次生冰晶(Secondaryice)现象出发,利用与降水有关的极化和非极化机制,根据实际观测雹云中降水强度计算电场增长。讨论极化电中性面下移、多次碰撞以及由于冰表面电导率较低而表征极化电荷转移时间较长等对起电的抑制。计算指出,对于较强的雹云,这些抑制较弱,电场可达击穿值。 计算还指出:当雹云中出现次生冰晶,表面电位差机制和次生冰晶起电可以在比极化机制更短的时间内,电场增长到4000v/cm。对于强雹云,极化和表面电位差机制是优势起电机制,云下部次正电荷区是次生冰晶起电所致。对于弱雹云,次生冰晶起电是优势机制,这类云没有次正电荷区。     

外电场作用下D-甘油酸分子的结构和光谱研究

采用密度泛函（DFT） B3LYP方法在6-311G基组上优化了不同外电场作用下D-甘油酸分子的基态几何结构、电偶极矩和分子的总能量,并在此基础上利用含时密度泛函（TD-DFT）方法在相同基组下探讨了各电场情况下D-甘油酸分子前6个激发态的激发能、波长和振子强度与外电场大小的关系.结果表明：分子的几何构型在外电场F=0.003 a.u.时会发生明显的变化,当外电场强度F=0.003 a.u.时,分子总能量骤然下降,电偶极矩骤然上升,其紫外吸收峰也出现明显的红移.当电场继续增加时,上述指标重新回到正常水平,骤变消失.     

雷电过程中大气电场信号处理方法探究

基于天津市蓟州区大气电场探测数据和闪电定位数据，利用功率谱分析、小波降噪和快速傅里叶变换等信号处理方法，分析了雷电天气过程中地面大气电场变化特征。结果表明，雷电过程中大气电场能量主要集中在低频部分，利用sym5小波函数进行7层或8层分解，提取的低频信号能够反映大气电场的主要变化特征。在首次闪电发生前1小时，大气电场的频谱幅值起伏变化明显，且远高于非雷电天气电场频谱幅值。通过欧氏距离判别法，判断大气电场频谱特征更接近雷电天气还是非雷电天气，可为雷电预报预警提供参考。     

中高层（60-120km）大气电参数非线性效应对地闪回击电磁场传播的影响

基于麦克斯韦方程组,通过综合考虑电子热效应和电离、吸附效应的非线性变化,利用二维时域有限差分算法(2D FDTD),建立了对流层-中高层大气电动力耦合模式,分析了中高层大气电参数的非线性效应对地闪回击电磁场传播的影响。结果表明,对微秒量级的地闪回击辐射场而言,在60 km以下,由于弛豫时间为毫秒量级,不需要考虑电参数的非线性效应。而在60 km以上的空间,由于弛豫时间快速减小至小于微秒量级,必须考虑电参数非线性效应带来的影响。如果考虑中高层大气电参数非线性效应,距地面90 km高度处地闪回击辐射场峰值明显减小,其中,垂直电场受影响最明显,场峰值最大可减小75%左右,而水平电场受影响相对较小。因为垂直电场脉冲持续时间为几百微秒,而水平电场脉冲持续时间仅为几十微秒,电磁场脉冲持续时间越长,受微秒量级中高层大气电介质弛豫时间的影响越大。     

基于小波技术的地面大气电场数据处理

使用安装在南京信息工程大学实验场的法国电场仪AMEO340于2009年观测试验期间的观测资料,将大气电场仪采样序列数据经快速傅里叶变换,得到序列的功率谱。对晴天和伴有闪电天气的地面大气电场数据进行了小波函数为sym5的7层分解,大大降低了地面大气电场数据波形的重叠度。通过对伴有闪电天气的地面大气电场数据进行小波7层分解,地面大气电场信号的低频部分不仅突出显示了地面大气电场值的主要变化趋势,而且能清晰的分辨出闪电过程中较强的正负地闪次数。为利用地面大气电场强度值的变化特征进行闪电预警提供了更有效的信息。     

火花间隙型浪涌保护器放电特性研究

火花间隙浪涌保护器具有放电能力强、通流容量大、漏电流小等优点,所以在电力系统的防雷保护中得到了广泛应用。文中从气体放电电压与间隙之间的距离、电极形状、电压波形、气压、气温、气体本身的性质以及照射方面讨论和分析了火花间隙浪涌保护器的放电特性。通过相关实验得出了以下结论:1)低压电源浪涌保护器的放电间隙应该大大缩小,用于高压线路的放电间隙比使用U=1560+500L计算的结果高出太多,也应考虑缩小。2)浪涌保护器间隙以均匀电场为好,此时的伏—秒特性曲线平缓,放电分散性小,保护特性好。3)SF6/N2混合气体具有抗电能力高、对电场均匀程度的敏感性低、液化温度低、化学性质稳定、毒性小、成本低等特点,在实际设计浪涌保护器时可以考虑用该混合气体当火花间隙的绝缘材料。     

三维强风暴动力-电耦合数值模拟研究Ⅱ:电结构形成机制

文中利用文献 [1]所建立的三维强风暴动力 -电耦合模式模拟研究了CCOPE(CooperativeConvectivePrecipita tionExperiment)计划 1981年 7月 19日的一次强雷暴过程 ,分析了该雷暴云中电结构的时空演变特征和形成机制 ,讨论了起电、降水和对流三者间的相互关系。结果表明 ,感应和非感应起电机制是雷暴云电结构形成的主要机制 ,冰相物的出现大大增强了雷暴中的起电过程。雷暴云中最大电场出现的时间与最大固态降水强度的出现基本同时 ,但比最大液态降水强度和最大上升速度出现的时间略有滞后 ,云中最大上升速度与最大液态降水强度基本同时出现。云中最大电场出现的时段正好是最大上升速度达到最大值后回落的阶段。雷暴云中起电活动的强弱还受云中微物理过程的发展和冰相物出现时间的影响 ,对流运动与起电过程的关系主要体现在对流运动影响着云中的凝结和冻结过程 ,从而与冰相物出现的时间有关。而仅仅依靠对流运动对正负离子的输送机制不可能产生云中接近放电的临界电场。     

地表湿度导致土壤电参数变化对雷电电磁场传播的影响

基于Scott提出的土壤电参数等效模型和二维分形布朗运动粗糙地表模型,利用Cooray和Wait近似算法,研究了地表湿度引起的土壤电参数变化对雷电回击电磁场传播的影响.结果表明:土壤湿度的增加引起垂直电场和水平磁场的上升随时间减小,对峰值影响不太明显;土壤湿度对水平电场的影响很大,水平电场的峰值与湿度成反比.实际上,雷暴天气往往伴随降水,因此对雷电电磁辐射环境的研究应该考虑土壤湿度的影响.     

基于小波分析的地面大气电场观测数据处理技术研究

使用南京信息工程大学实验场的AMEO340电场仪一年观测试验资料,将大气电场仪采样序列数据经快速傅里叶变换,得到序列的功率谱,对晴天和伴有闪电天气的地面大气电场数据进行小波函数为sym5的7层分解,某种程度上降低了地面大气电场数据波形的重叠度。通过对伴有闪电天气的地面大气电场数据进行小波7层分解,地面大气电场信号的低频部分不仅突出显示出地面大气电场值的主要变化趋势,而且能清晰地分辨出闪电过程中较强的正负地闪次数,为利用地面大气电场强度值的变化特征进行闪电预警提供了更有效的信息。