专利名称：教学用可解析闪电机理的人工引雷装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及气象学。
背景技术：
自从富兰克林用风筝从闪电中引出电流后，科学界设计了很多种实验装置解析闪电机理，这类装置的不足之处在于不能揭示闪电机理。气象学中有关闪电的解释是误解。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用火花放电人工触发闪电的装置，它可以揭示闪电机理消除误解，也可以作为避雷针使用。
本发明是这样实现的在地面高处竖立两根以上保持适当间距的尖端导体，在雷暴天气具备地闪条件时，用高压电源在尖端导体间激发火花放电。如果地面大气电场弱，负电荷密度低，用气球或火箭将尖端导体送入雷暴云中，在成熟雷暴条件下，尖端导体间的火花放电可以触发闪电。用电场仪监测闪电现场大气电荷极性，根据火花放电及监测结果、实验、人类的已知，即可解析出闪电机理。
本发明的具体实施过程如下因为本发明依据新的原理，所以在介绍具体实施方案前首先阐明这一原理。
闪电是发生在空气中的火花放电，我们先了解空气和火花放电的关系。用多种起电方式分别在密封容器内进行火花放电可以发现电火花使氧气消失。空气中有氧气时火花明亮，氧气消失后火花暗淡。火花放电为什么与氧气反应并使其消失呢？中国专利申2003101032514中作了较详细的论述，本发明仅简单介绍将电解水装置的排气口作为氢氧燃料电池的进气口，启动两套装置后发现电流→电解水装置→氢气、氧气→氢氧燃料电池→电流，构成畅通的串连电路。电流在电解水装置中被氢氧原子H2O吸收，转变为氢气和氧气，在氢氧燃料电池中还原成氢氧原子和电流。电流为何能变成气体，又从气体还原成电流通过串连电路呢？这是因为电解水时氢气产生于电流的负极，负极的电势高，氢气吸收了电流负极中高电势、负电性的电子，因此具备了负极的功能，如同电流的负极。氧气产生于电流的正极，吸收了正极中低电势、正电性的电子，因此具备了正极的特性和功能，如同电流的正极。氧气中除了原子，其余物质是100％的电子。氧气是在原子约束下，漂浮在空间的电子云。这样的描述可以帮助我们理解氧气在大气中的行为。
氧气的双原子结构使它在常温下处于稳定的基态呈电中性。不显示正电性不与电子或负电荷反应，氧化反应的难解之处就在于此。火花放电的高温将氧气激发为激态呈正电性，氧气中正电性的电子云凭借从高温中获取的动能，摆脱氧原子的束缚，与电火花中的负电荷发生反应，湮灭消失释放出光子。因为只有电子、负电荷参与了反应，所以氧气与火花放电发生的是异号电荷间简单的短路放电反应。
雷暴云中的负电荷与氧气中正电性的电子云同样发生了异号电荷放电反应，本发明提供的装置、监测、实验、解析、人类的已知等项证实闪电是一种未知的氧化反应现象，以下逐项阐述实验表明氧气与负电荷放电后电子云消失。氧气的体积99％以上是电子云贡献的，失去电子云氧气相当于消失了，剩下的氧原子体积微不足道，但它的电负性3.50，对其它原子或电子有极强的吸引力，1ms内即与氮结合为NOX或与氧结合为O3。气象界普遍估计每年全球闪电向大地输送4亿吨氮肥NOX，但没有描述闪电生成NOX的过程。这一过程不应回避，因为它意味着几千亿M3的氧气失去电子云变成氧原子OX。氧气是活跃的分子，它不会无声无息的从大气转入大地，这不符合氧气的特性。这一过程其实是在人类注视下，以惊天动地的形式进行的，雷暴云中的电场因畸变产生局部的超高压，将少量氧气激发为正电性，与周围的负电荷发生放电反应，火花放电产生的高温和同时产生的导电粒子、离子类导电微粒，激发催化更多的氧气和负电荷参与放电，火花放电迅速传递发展形成放电通道，几毫秒后氧气烧光消失火花熄灭，放电通道出现真空，吸进新鲜空气和负电荷，通道内的余热、导电微粒激发催化它们再次放电，放电通道继续使向前传递发展，形成脉冲式前进的梯级先导，每次前进约50m，吸气约50微秒，一般经过十几次脉冲放电到达终点，放电通道附近的负电荷被真空反复抽吸耗尽后，火花放电熄灭，多次放电耗时不超过一秒。
氧气有电中性、正电性两种状态，所以它即可以和负电荷猛烈放电爆燃，又可以瞬时中止形成闪电。正电荷只有正电性状态，它与负电荷的能量蓄积、反应形态都与自然现象不符。所以气象学中流行的十几种关于闪电的解释都不能人工再现。本发明提供的装置可以使上述有关闪电的描述在真实大气中人工再现。
闪电熄灭后，放电通道内残留的导电微粒在气流条件具备时聚成一团，借助余热继续激发催化负电荷与氧气放电。在闪电消失的地方偶尔会出现一个或一串漂浮的火球。由于刚发生过闪电，大气电场弱、负电荷密度低，氧气得以平静的放电燃烧。氧气消失产生的负压使导电微粒收缩成球形，按耗氧量和负电荷密度估算，火球功率不超过200W。金属的电阻低对导电微粒有吸引力，火球常沿电线或金属移动，负电荷受电场影响电压不同，与氧气放电产生光子频率不同，因此呈现不同的颜色。火球直径仅有0.2-0.3m，无法在其中分布正负电荷，所以传统的关于闪电的解释不能解释球状闪电。
超级雷暴单体中粗大的闪电熄灭后，放电通道因氧气爆燃消失及氮化反应出现真空，周围大气同时涌入这条狭长的真空洞时发生螺旋性旋转，旋转气流初期带着闪电遗传给它的形状就像一根细长的柔性吸管，吸入大量依附于水汽和气溶胶上的负电荷，输送到旋转气流的顶端去引发闪电。大量气体消失使旋转气流产生更大的吸力，龙卷母云内中尺度旋转气流平均21min后发育成地面龙卷。卫星观测到龙卷风顶羰的闪电多达每分钟九十次，这一部位的闪电停止龙卷风立即消失。
热带大洋上空的冷暖对流在大范围地区引发了闪电，大量气体消失使该地区出现低压，周围大气向低压中心流动，地球自转力使向心气流旋转形成热带气旋。赤道南北纬各5度地带气流不旋转。传统的闪电解释不涉及气体，所以对多种与闪电共生的大气流动现象感到因惑。
依附于水汽和气溶胶上的负电荷互相排斥，使雷暴云中充满了同性斥力，阻止携带着同样电荷的雨滴坠落。同性相斥是物理的基本定律之一，雷暴云借助同性斥力悬浮托起了超常的水汽，所以降水量特别大，有时还会降下冰块。往往闪电过后降雨才开始或增大。强雷暴单体中频繁的云闪使气体不断消失，云中出现持续上升气流，云体被周围大气紧缩成砧形，云顶被同性斥力分裂成花椰菜状。静电斥力使水滴、冰晶悬浮现象可以在实验室环境人工再现。
图为本发明工作原理示意图；雷暴云(1)；尖端导体(2)；气球(3)；火箭(4)。
具体实施例方式
下面结合附图详细说明本发明的
具体实施例方式选择闪电频发的地区作为教学试验场，将两根以上的尖端导体(2)竖立在地面高处。在雷暴天气负电荷密度足以引发地闪时，接通高压电源，电压与导体间距有关，间距大电压相应也高，如果使用高压静电，电压则需更高，静电的击穿场强3.55mv/m。尖端导体(2)间的火花放电引起周围的氧气与负电荷放电并演变成闪电。条纹相机扫描图像显示火花放电引发了上行闪电。电场仪监测显示闪电过程大地并未发射正电荷，大气中只有负电荷。闪电生成大量O3广泛分布在雷暴云上层和下层。它的分子结构不稳定，对外显示正电性，与现在使用的各种形式电场仪均发生反应，引起电场仪正电场蜂值变化。将电场仪置于封闭的O3环境中可以发现这一反应，用多站闪电定位系统遥测大气电荷结构，由于不能排除O3干扰，同样不能确认云中存在电荷，气象学描述的大气中的正电荷并不存在。
如果地面负电荷密度低不能引发闪电，或引发的闪电不成熟过于细小，类似圣、爱尔莫之火，达不到本发明的教学目的，用气球(3)或火箭(4)将尖端导体(2)送入雷暴云(1)中进行火花放电，由移动电源供电。同样监测闪电现场大气电荷并实时向地面发送。
根据静电放电原理，生成数公里长的闪电，需要几十亿伏的击穿电压。气象界曾观测到400公里长的云闪。闪电显然不遵从我们熟知的放电原理和规律。闪电是像火焰一样被引燃，以传递方式发展的。它曲折的走向、开杈、长度主要受负电荷密度影响，很多击中避雷针、高压输变电设施、油库、人员的闪电并非从天而降，而是由微小放电引燃拔地而起的。条纹相机扫描图像可以发现闪电运行方向和引燃细节。超高速条纹相机扫描速度可达1皮秒，在这一时间内，光速仅移动了0.3毫米，闪电只移动了大约0.1毫米。
该装置作为避雷针使用时，尖端导体(2)其中一端接地，针长、过压保护等均按有关避雷针标准设计。根据电场强度、负电荷密度自动或人工控制火花放电。该装置触发不成熟无害的上行闪电，可以降低大气负电荷密度，避免发生危害性地闪，有效保护较大范围的地区、高层建筑、高压输变电设施、油、气库等。岩石挤压破裂时也向大气释放负电荷，例如中国通海Ms7.7级地震前一个月至震中，大地释放的负电荷与氧气放电后生成的O3使空气中出现硫磺或硝烟臭味。该装置在这种大气环境中同样会自行启动火花放电。
人类已掌握的知识足以揭示一切形式的氧化反应。但我们对这些已知理解的不够，对氧化反应现象产生了误解，本发明可以启发学生的理解能力，消除对闪电的误解。
实施本发明属于人工影响天气，因此应遵守有关气象法规。
权利要求
1.一种人工触发闪电装置，其特征在于高压电源在尖端导体(2)间激发火花放电。
2.根据权利要求1所述装置，其特征在于尖端导体(2)置于气球(3)或火箭(4)上。
3.根据权利要求1所述装置，其特征在于根据大气电场强度或负电荷密度，自动控制尖端导体(2)间火花放电。
4.根据权利要求1、3所述装置，其特征在于尖端导体(2)其中一端接地。
全文摘要
本发明提供了一种教学用可解析闪电机理的人工引雷装置，它涉及气象学领域。气象学中有关闪电的解释是误解，闪电是一种未知的氧化反应现象。本发明提供的装置，用高压电源在两个以上的尖端导体间激发火花放电，人工触发闪电，它可以揭示闪电机理，启发学生的理解能力，消除对闪电的误解，该装置也可以作为避雷针使用。有效保护较大范围的地区、高层建筑、大型油、气库、高压输变电设施等。
文档编号G09B23/00GK1558382SQ200410039560
公开日2004年12月29日 申请日期2004年2月10日 优先权日2004年2月10日
发明者陈西林, 王丽敏 申请人:陈西林