1、雷定義為伴隨閃電而產(chǎn)生的聲輻射。

2、廣義而言，雷與雷暴周圍大氣的所有流體動力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。

3、雷可分為兩部分。

(資料圖片僅供參考)

4、一是人耳可以聽到的聲能量，稱為雷聲，二是次聲，頻率低于人耳能夠聽到的雷聲，通常在幾十赫茲以下。

5、一般認(rèn)為這兩種雷所對應(yīng)的物理機(jī)制不同。

6、可以聽到的雷聲被認(rèn)為是加熱的閃電通道的迅速擴(kuò)張而引起的，而次聲則被認(rèn)為是當(dāng)閃電使云中的電場迅速減少時儲存在雷暴云靜電場中的能量轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的。

7、 實際上有關(guān)雷的研究大部分都是早期的工作，有關(guān)的評述可以參考Uman（1987），Hill（1977，1979），F(xiàn)ew（1974，1975，1981）的有關(guān)著作。

8、本書只給出較粗略的描述。

9、 雷聲及其產(chǎn)生機(jī)制 對于雷的描述已經(jīng)有兩千多年的歷史，但是直到1963年Malan（1963）才第一次使用現(xiàn)代術(shù)語描述了近處雷電發(fā)出的聲音。

10、之后Latham（1964）， Nakano and Takeuti（1970）以及Uman and Evans（1977）都對雷聲進(jìn)行了實際測量。

11、對雷聲的普遍描述是：當(dāng)閃電打在距觀測者100m以內(nèi)時，出現(xiàn)的聲音首先為“咔”聲，然后象抽鞭子般的噼啪聲，最后變成雷特有的持續(xù)隆隆聲。

12、Malan（1963）認(rèn)為“咔”聲是由地面向上的主連接先導(dǎo)放電造成的。

13、噼啪聲由離觀測者最近的回?fù)敉ǖ啦糠之a(chǎn)生的沖擊波所引起。

14、隆隆聲則來自于彎曲放電通道的較高部位。

15、而當(dāng)閃擊點離觀測者數(shù)百米遠(yuǎn)時，在第一聲炸雷（clap）發(fā)生之前，人耳聽到的第一聲類似于撕布的聲音，這種聲音持續(xù)近一秒鐘，接著出現(xiàn)響亮的炸雷。

16、這種撕布的聲音起源于（1）垂直的放電通道，其長度與距觀測者距離相仿。

17、（2）由地面向上的多個連接先導(dǎo)過程。

18、Hill（1977）曾經(jīng)從Remillard（ 1960）總結(jié)出的有關(guān)雷的十二條事實中選擇了其中 最主要的七個： (1) 云地閃電通常產(chǎn)生最響的雷。

19、 (2) 在超過十英里左右的距離外偶爾才能聞雷。

20、 (3) 用看到閃電與聽到第一次雷聲之間的時間間隔可以估計閃擊距離。

21、 (4) 大氣湍流能減小雷的可聞度。

22、 (5) 緊接強(qiáng)烈雷鳴之后，常有傾盆大雨。

23、 (6) 雷聲的強(qiáng)度似乎一地不同于另一地。

24、 (7) 當(dāng)隆隆聲持續(xù)時，雷的音調(diào)變深沉。

25、 眾所周知，由于聲音在空氣中的傳播速度約為330m/s，而光的傳播速度為3×108m/s,通道發(fā)展速度在105m/s以上。

26、因此，利用聲音與光到達(dá)觀測者的時間差可以大致估算距觀測者最近的閃電通道離開觀測者的距離。

27、例如，如果到達(dá)觀測者的聲光差為10s，則距觀測者最近的閃電通道離開觀測者的距離為330m/s×10s=3.3km。

28、這種方法在野外觀測中是經(jīng)常使用的。

29、 那么，雷是如何形成的呢：普遍接受的雷聲成因理論認(rèn)為，人耳可以聽到的雷聲起源于閃電通道的初始迅速膨脹引發(fā)的高壓沖擊波，它在遠(yuǎn)距離上退化成為聲波。

30、對回?fù)敉ǖ赖墓庾V分析認(rèn)為，在不到10μs的時間內(nèi)回?fù)敉ǖ罍囟葘⑦_(dá)到30000K。

31、由于沒有足夠的時間使得通道的粒子濃度發(fā)生顯著改變，因此通道的壓力將由于溫度的升高而迅速增加。

32、在前5μs內(nèi)平均的通道壓力可以達(dá)到10個巴。

33、這樣一個通道過壓將會導(dǎo)致強(qiáng)烈的沖擊波使得通道迅速膨脹。

34、 Abramson等（1947）最先從理論上指出，當(dāng)氣體中發(fā)生火花擊穿和增溫時，則會出現(xiàn)等離子體的突然膨脹，并伴有沖擊波。

35、在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了一種解析方法來解這種沿?zé)o限窄的線源、瞬時釋放能量的理想情況下的流體動力學(xué)問題。

36、這種解析方法隨后又被Drabkina（1951）推廣到在擊穿通道中逐漸聚集能量的情況。

37、以后這一理論又被Braginskii（ 1958）進(jìn)一步推廣并應(yīng)用到閃電的情況。

38、Sakurai（1953）和Lin（ 1954）給出了沿?zé)o限窄線源瞬時釋放能量的類似的解析解。

39、 完善描述閃電通道的增長要涉及許多因素，例如輻射傳輸、主回?fù)綦娏髑巴ǖ乐械某跏紬l件、輸人電流的時間分布、通道等離子體中電能向熱能的轉(zhuǎn)換、通道的耗損等物理特性以及通道的長度和彎曲情況等幾何特性。

40、雖然Troutman（1969），Colgate 和McKee（1969），Hill（1971），Plooster（1971a）以及Few（1969，1981）都曾嘗試著論述了更接近閃電通道情況的通道增長問題，但是至今所有的處理方法都只考慮初始能量在圓柱體中對稱分布的情況，還沒有模擬真實的彎曲閃電通道的嘗試。

41、不過，對有限大小的線源，所有的結(jié)果都證實了當(dāng)閃電通道每單位長度中聚集極高的能量時，要產(chǎn)生過壓強(qiáng)沖擊波。

42、 Few（1969，1981）提出，雷的功率譜具有球?qū)ΨQ的膨脹沖擊波特征。

43、假定行為如同“點源”的一小段通道的平均長度等于3/4倍通道的特征半徑R0，則R0=（En/πP0）1/2，這里En是每單位長度通道中的能量耗散，P0是環(huán)境壓力。

44、功率譜極大值的頻率fm＝0.63C0（P0/E），這里C0是聲速。

45、 雖然對閃電產(chǎn)生的沖擊波的傳播尚未進(jìn)行足夠的實驗，但Holmes et al.(1971a), Dawson et al.(1968)以及Uman et al.(1970)對實驗室長火花放電產(chǎn)生的沖擊波衰減進(jìn)行了測量，實驗基本上證實了上述Few的沖擊波理論。

46、 與產(chǎn)生上述可聽見雷聲的熱通道機(jī)制不同，次聲可能與閃電使云電荷的分布改變后引起的云內(nèi)靜電場的張弛有關(guān)(Few, 1985)。

47、實際上到目前為止，盡管對這兩種過程的產(chǎn)生機(jī)理有物理模式進(jìn)行描述，但是這兩類機(jī)制的直接證據(jù)是什么，這兩類機(jī)制對觀測到的雷的壓力變化的貢獻(xiàn)如何等等，仍然沒有解決。

48、 利用雷聲對閃電通道的重構(gòu) 如果不在一條直線上的三個或三個以上的話筒同時記錄到了一次雷聲的主要特征，則可以利用到達(dá)每一個話筒的聲光差來確定聲源的位置。

49、通常有兩種不同的方法。

50、比較準(zhǔn)確的方法是線狀跟蹤法（ray tracing），它可以給出一次雷聲事件中的多個聲源點，從而可對閃電的放電通道進(jìn)行重構(gòu)。

51、這種方法中，話筒之間距離相對較近，一般為幾十米。

52、利用聲波的主要特征到達(dá)每一個話筒的時間差可以確定入射聲波的方向，再利用閃電到達(dá)話筒陣的聲光差對方向射線進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸則可以確定放電源的位置。

53、使用這一方法對閃電放電通道的重構(gòu)技術(shù)可以參看Few and Teer(1974), Nakano（1976）和MacGoman et al.（1981）的文章。

54、 聲定位的另一種方法被稱為雷測距（thunder ranging），這種方法中三個話筒相距較遠(yuǎn)，一般在公里量級，測得的位置一般誤差較大。

55、按照Few（1981）的理論，聲信號到達(dá)相距100m以上距離的兩個話筒時由于傳播路徑的不同將變?yōu)椴幌嚓P(guān)的，但是一些粗略的特征在相距公里量級的兩個話筒上仍然具有相關(guān)性。

56、對于炸雷而言，到達(dá)一個測站的聲光差可以用來確定一個可能源位置的球面。

57、三個話筒得到的三個球面相交的點則是炸雷發(fā)生位置。

58、利用這種方法對閃電通道的重構(gòu)可以參看Uman et al.（1978）的文章。

本文分享完畢，希望對大家有所幫助。

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