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【摘要】随着我国经济的飞速发展，常规能源供应越来越短缺，环境污染越来越重，风能、太阳能、地热、潮汐资源等新能源越来越受青睐，尤其是雷电资源，根据其产生的原因，进行充分的利用，即可达到低碳排放，又可满足经济的可持续发展。
【关键词】低碳经济，雷电成因，分布，危害，利用，可持续发展
随着我国经济的飞速发展，石油、煤炭等非可再生能源供应越来越短缺，价格越来越高，环境污染越来越重，风能、太阳能、地热、潮汐资源等等能源越来越受青睐，尤其是雷电资源，在有些特殊独特地形地貌地理环境非常集中，阵阵雷声巨响给当地民众生命和财产造成巨大损失，大多只有消极装避雷针减少损失伤亡了事，巨大雷电能量消失在土地表层，时至今日却开发利用无几。为充分利用雷电资源，发展低碳经济，减少污染，改善人类生活环境，现对雷电成因、分布、危害及利用分析如下：
1.雷电的产生原因
雷电是发生在大气层中大气或云块在气流作用下产生异性电荷的积累使某处空气被击穿，电荷中和产生强烈的声、光、电并发的一种物理现象，通常是指带电的云层对大地之间、云层与云层之间、云层内部的放电现象。这个放电的过程会产生强烈的闪电和巨大的声响，即人们常说的“电闪雷鸣”。
雷电是一种常见的大气放电现象。雷电一般产生于对流发展旺盛的积雨云中，因此常伴有强烈的阵风和暴雨，有时还伴有冰雹和龙卷风。在夏天的午后或傍晚，地面的热空气携带大量的水汽不断地上升到高空，形成大范围的积雨云。积雨云顶部一般较高，积雨云的不同部位聚集着大量的正电荷或负电荷，可达20公里，云的上部常有冰晶。冰晶的凇附，水滴的破碎以及空气对流等过程，使云中产生电荷。
云中电荷的分布较复杂，但总体而言，云的上部以正电荷为主，下部以负电荷为主，从而形成雷雨云。而地面因受到近地面雷雨云的静电感应，也会带上与云底相反符号的电荷，两者相当于一个巨大的电容器。一般情况下，我们把地面看成零电势面，积雨云与地面的高度差比较大，根据公式：U=Ed，积雨云与地面间的电场强度与距离都很大，所以它们间的电势差很大，即电压很大。
闪电的电压很高，约为1亿至10亿伏特。闪电的平均电流是3万安培，最大电流可达30万安培。一个中等强度雷暴的功率可达一千万瓦，相当于一座小型核电站的输出功率。当云层里的电荷越积越多，使电场强度达到一定强度时，就会把空气击穿，打开一条狭窄的通道强行放电。当云层放电时，由于云中的电流很强，通道上的空气瞬间被烧得灼热，温度高达6000~20000℃，所以发出耀眼的强光，这就是闪电。而闪道上的高温会使空气急剧膨胀，同时也会使水滴汽化膨胀，从而产生冲击波，这种强烈的冲击波活动形成了雷声。
2.雷电灾害的分布
每时每刻世界各地大约正有1800个雷电交作在进行中。它们每秒钟约发出600次闪电，其中有100次袭击地球。比如广播电视塔，每年会被击中20次，每次雷击通常会产生6亿伏的高压。
首都坎帕拉和印尼的爪哇岛，是最易受到闪电袭击的地方。据统计，爪哇岛有一年竟有300天发生闪电。而历史上最猛烈的闪电，则是1975年袭击津巴布韦乡村乌姆塔里附近一幢小屋的那一次，当时死了21个人。中国是一个多自然灾害的国家，跟地理位置有着不可分割的关系，雷电灾害在中国也有不少，最为严重的是广东省以南的地区，东莞、深圳、惠州一带的雷电自然灾害已经达到世界之最，这些地方也是因为大气层位置比较偏低所造成的影响。纽约是雷电灾害最多的地区，在近几年更是明显加强，我国的东莞近最为严重，雷电所带来的经济亏损在夏季5~8月之间，东莞当季的GDP比例亏损度接近6%，上千万的经济亏损，也是一大严重的自然灾害多发区域。多起雷电伤人事件在东莞地区每年都会发生，达到了全世界雷击人事件最频繁最多的地区。在中国乃至全世界的雷电受灾重区之一。
每个从云层到地面的闪电实际上包含了在60毫秒间隔内发生的3到5次独立的雷击，第一次雷击的峰值电流大约为2万安培，后续雷击的峰值电流减半。最后一次雷击之后，可能会有大约150安培的连续电流，持续时间达100毫秒。
经测量，这些雷击的上升时间大约为200纳秒或者更快。通过2万安培和200纳秒，不难计算得到dI/dt的值是每秒10~11安培。
3.雷电的危害
自然界每年都有几百万次闪电。雷电灾害是“联合国国际减灾十年”公布的最严重的十种自然灾害之一。最新统计资料表明，雷电造成的损失已经上升到自然灾害的第三位。全球每年因雷击造成人员伤亡、财产损失不计其数。据不完全统计，我国每年因雷击以及雷击负效应造成的人员伤亡达3000～4000人，财产损失在50亿元到100亿元人民币。
雷电灾害所涉及的范围几乎遍布各行各业。现代电子技术的高速发展，带来的负效应之一就是其抗雷击浪涌能力的降低。以大规模集成电路为核心组件的测量、监控、保护、通信、计算机网络等先进电子设备广泛运用于电力、航空、国防、通信、广电、金融、交通、石化、医疗以及其它现代生活的各个领域，以大型CMOS集成元件组成的这些电子设备普遍存在着对暂态过电压、过电流耐受能力较弱的缺点，暂态过电压不仅会造成电子设备产生误操作，也会造成更大的直接经济损失和广泛的社会影响。
3.1 雷击造成的危害主要有五种：
3.1.1 直击雷。
直击雷是雷击危害最主要的一种形式，由于直击雷是带电的云层对大地上的某一点发生猛烈的放电现象，所以它的破坏力十分巨大，若不能迅速将其泄放入大地，将导致放电通道内的物体、建筑物、设施、人畜遭受严重的破坏或损害——火灾、建筑物损坏、电子电气系统摧毁，甚至危及人畜的生命安全。
3.1.2 雷电波侵入。
雷电不直接放电在建筑和设备本身，而是对布放在建筑物外部的线缆放电。线缆上的雷电波或过电压几乎以光速沿着电缆线路扩散，侵入并危及室内电子设备和自动化控制等各个系统。因此，往往在听到雷声之前，我们的电子设备、控制系统等可能已经损坏。
3.1.3 感应过电压。
雷击在设备设施或线路的附近发生，或闪电不直接对地放电，只在云层与云层之间发生放电现象。闪电释放电荷，并在电源和数据传输线路及金属管道金属支架上感应生成过电压。
雷击放电于具有避雷设施的建筑物时，雷电波沿着建筑物顶部接闪器（避雷带、避雷线、避雷网或避雷针）、引下线泄放到大地的过程中，会在引下线周围形成强大的瞬变磁场，轻则造成电子设备受到干扰，数据丢失，产生误动作或暂时瘫痪；严重时可引起元器件击穿及电路板烧毁，使整个系统陷于瘫痪。
3.1.4 系统内部操作过电压。
因断路器的操作、电力重负荷以及感性负荷的投入和切除、系统短路故障等系统内部状态的变化而使系统参数发生改变，引起的电力系统内部电磁能量转化，从而产生内部过电压，即操作过电压。
操作过电压的幅值虽小，但发生的概率却远远大于雷电感应过电压。实验证明，无论是感应过电压还是内部操作过电压，均为暂态过电压（或称瞬时过电压），最终以电气浪涌的方式危及电子设备，包括破坏印刷电路印制线、元件和绝缘过早老化寿命缩短、破坏数据库或使软件误操作，使一些控制元件失控。
3.1.5 地电位反击。
如果雷电直接击中具有避雷装置的建筑物或设施，接地网的地电位会在数微秒之内被抬高数万或数十万伏。高度破坏性的雷电流将从各种装置的接地部分，流向供电系统或各种网络信号系统，或者击穿大地绝缘而流向另一设施的供电系统或各种网络信号系统，从而反击破坏或损害电子设备。同时，在未实行等电位连接的导线回路中，可能诱发高电位而产生火花放电的危险。
3.2 按其破坏因素又可归纳为三类。
3.2.1 电性质破坏。
雷电产生高达数万伏甚至数十万伏的冲击电压，可毁坏发电机、变压器、断路器、绝缘子等电气设备的绝缘，烧断电线或劈裂电杆，造成大规模停电；绝缘损坏会引起短路，导致火灾或爆炸事故；二次放电（反击）的火花也可能引起火灾或爆炸；绝缘的损坏，如高压窜入低压，可造成严重触电事故；巨大的雷电流流入地下，会在雷击点及其连接的金属部分产生极高的对地电压，可直接导致接触电压或跨步电压的触电事故。
3.2.2 热性质破坏。
当几十至上千安的强大电流通过导体时，在极短的时间内将转换成大量热能。雷击点的发热能量约为500～2000J，这一能量可熔化50～200立方厘米的钢。故在雷电通道中产生的高温往往会酿成火灾。
3.2.3 机械性质破坏。
由于雷电的热效应，能使雷电通道中木材纤维缝隙和其他结构缝隙中的空气剧烈膨胀，同时使水分及其他物质分解为气体，因而在被雷击物体内部出现很大的压力，致使被击物遭受严重破坏或造成爆炸。
4.雷电的利用
雷电中所蕴含的能量很多，全世界一天的雷电放电的能量可以足够人类用一年。如果能好好的将雷电利用起来，将使人类对与其他能源的依赖大大减少。
但是以现在的技术条件来说，人类对于雷电的应用仍处于设想阶段。
结合网上的资料与我们的分析，对于利用雷电，我们有以下设想：
4.1 雷电是一种无污染的能源，它一次放电能达1至10亿焦耳。中国成语中就有“雷霆万钧”之力一词（霆：劈雷，钧：
古代的重量单位，合当时30斤）。利用这种巨大的冲击力，可以夯实松软的基地，从而为建筑工程节省大量的能源。根据高频感应加热原理，利用雷电产生的高温，可使岩石内的水分膨胀，达到破碎岩石，开采矿石之目的。
4.2 雷电能治病。每场雷雨过后，空气中的气体分子在雷电场的作用下，会分离出带负电的负氧离子。研究人员测试表明，雷雨过后，每立方厘米空气中的负氧离子可达1万余个，而晴天里的闹市区，负氧离子仅几十个。实验表明，被称做“空气的维生素”的负氧离子，对人体健康很有利。医疗专家模拟雷雨的神奇作用，将负氧离子引入病房，结果发现，当室内空气中的负氧离子与正离子的比例调控在9比1之时，对气喘、烧伤、溃疡以及其他外伤的治疗有促进作用；可使居室内细菌、病毒减少；同时，对过敏性鼻炎、神经性皮炎、关节疼痛等病症均有一定的疗效。钓鱼的朋友有一条渔谚云：宁钓雷雨后，不钓雷雨前。也是基于这个道理。此外，雷鸣电闪时，强烈的光化学作用，还会促使空气中的一部分氧气发生反应，生成具有漂白和杀菌作用的臭氧。伴随着雷电的上升气流，可将停滞于对流层下面的污染大气携带到10公里以上的平流层底部。
4.3 它可以制造氮肥。发生雷电时，大气中的闪电通道可达几千米长，温度极高，有大量的氮和氧化合成二氧化氮。生成的二氧化氮溶解于雨水中，变成浓度不高的硝酸，落入土壤中，又和其他物质化合变成硝石。是大自然对人类无偿的恩赐。
4.4 雷电可预示天气。农谚云：“东闪日头西闪雨”，因中国地处西风带内，云雨大多从西边移动过来影响本地。其他还有“南闪火门开，北闪有雨来”等。
4.5 雷电找矿。雷电爱打击容易导电的物体，利用这一特点，为地质勘探人员寻找金属矿床提供了线索。
4.6 储存雷电用作电力。电力科学家已通过不懈的努力，终于降伏雷电，使雷电不再破坏威胁电力。但是，目前能不能很好的利用雷电仍然是科学的焦点。我们人类可设计一种雷电储存器，在雷电发生时把雷电收集起来，以便用于我们的日常照明和工业生产。
通过以上利用，既满足了人类对能源的需求，又可以减少煤炭、石油、天然气等含碳能源的使用，顺应时代要求，发展低碳经济，从而改善环境，减少污染，进而提高人类生活质量，达到全世界可持续发展的目的。
参考文献
［1］ 中国期刊全文数据库.
［2］ 中国博士学位论文数据库.
【关键词】低碳经济，雷电成因，分布，危害，利用，可持续发展
随着我国经济的飞速发展，石油、煤炭等非可再生能源供应越来越短缺，价格越来越高，环境污染越来越重，风能、太阳能、地热、潮汐资源等等能源越来越受青睐，尤其是雷电资源，在有些特殊独特地形地貌地理环境非常集中，阵阵雷声巨响给当地民众生命和财产造成巨大损失，大多只有消极装避雷针减少损失伤亡了事，巨大雷电能量消失在土地表层，时至今日却开发利用无几。为充分利用雷电资源，发展低碳经济，减少污染，改善人类生活环境，现对雷电成因、分布、危害及利用分析如下：
1.雷电的产生原因
雷电是发生在大气层中大气或云块在气流作用下产生异性电荷的积累使某处空气被击穿，电荷中和产生强烈的声、光、电并发的一种物理现象，通常是指带电的云层对大地之间、云层与云层之间、云层内部的放电现象。这个放电的过程会产生强烈的闪电和巨大的声响，即人们常说的“电闪雷鸣”。
雷电是一种常见的大气放电现象。雷电一般产生于对流发展旺盛的积雨云中，因此常伴有强烈的阵风和暴雨，有时还伴有冰雹和龙卷风。在夏天的午后或傍晚，地面的热空气携带大量的水汽不断地上升到高空，形成大范围的积雨云。积雨云顶部一般较高，积雨云的不同部位聚集着大量的正电荷或负电荷，可达20公里，云的上部常有冰晶。冰晶的凇附，水滴的破碎以及空气对流等过程，使云中产生电荷。
云中电荷的分布较复杂，但总体而言，云的上部以正电荷为主，下部以负电荷为主，从而形成雷雨云。而地面因受到近地面雷雨云的静电感应，也会带上与云底相反符号的电荷，两者相当于一个巨大的电容器。一般情况下，我们把地面看成零电势面，积雨云与地面的高度差比较大，根据公式：U=Ed，积雨云与地面间的电场强度与距离都很大，所以它们间的电势差很大，即电压很大。
闪电的电压很高，约为1亿至10亿伏特。闪电的平均电流是3万安培，最大电流可达30万安培。一个中等强度雷暴的功率可达一千万瓦，相当于一座小型核电站的输出功率。当云层里的电荷越积越多，使电场强度达到一定强度时，就会把空气击穿，打开一条狭窄的通道强行放电。当云层放电时，由于云中的电流很强，通道上的空气瞬间被烧得灼热，温度高达6000~20000℃，所以发出耀眼的强光，这就是闪电。而闪道上的高温会使空气急剧膨胀，同时也会使水滴汽化膨胀，从而产生冲击波，这种强烈的冲击波活动形成了雷声。
2.雷电灾害的分布
每时每刻世界各地大约正有1800个雷电交作在进行中。它们每秒钟约发出600次闪电，其中有100次袭击地球。比如广播电视塔，每年会被击中20次，每次雷击通常会产生6亿伏的高压。
首都坎帕拉和印尼的爪哇岛，是最易受到闪电袭击的地方。据统计，爪哇岛有一年竟有300天发生闪电。而历史上最猛烈的闪电，则是1975年袭击津巴布韦乡村乌姆塔里附近一幢小屋的那一次，当时死了21个人。中国是一个多自然灾害的国家，跟地理位置有着不可分割的关系，雷电灾害在中国也有不少，最为严重的是广东省以南的地区，东莞、深圳、惠州一带的雷电自然灾害已经达到世界之最，这些地方也是因为大气层位置比较偏低所造成的影响。纽约是雷电灾害最多的地区，在近几年更是明显加强，我国的东莞近最为严重，雷电所带来的经济亏损在夏季5~8月之间，东莞当季的GDP比例亏损度接近6%，上千万的经济亏损，也是一大严重的自然灾害多发区域。多起雷电伤人事件在东莞地区每年都会发生，达到了全世界雷击人事件最频繁最多的地区。在中国乃至全世界的雷电受灾重区之一。
每个从云层到地面的闪电实际上包含了在60毫秒间隔内发生的3到5次独立的雷击，第一次雷击的峰值电流大约为2万安培，后续雷击的峰值电流减半。最后一次雷击之后，可能会有大约150安培的连续电流，持续时间达100毫秒。
经测量，这些雷击的上升时间大约为200纳秒或者更快。通过2万安培和200纳秒，不难计算得到dI/dt的值是每秒10~11安培。
3.雷电的危害
自然界每年都有几百万次闪电。雷电灾害是“联合国国际减灾十年”公布的最严重的十种自然灾害之一。最新统计资料表明，雷电造成的损失已经上升到自然灾害的第三位。全球每年因雷击造成人员伤亡、财产损失不计其数。据不完全统计，我国每年因雷击以及雷击负效应造成的人员伤亡达3000～4000人，财产损失在50亿元到100亿元人民币。
雷电灾害所涉及的范围几乎遍布各行各业。现代电子技术的高速发展，带来的负效应之一就是其抗雷击浪涌能力的降低。以大规模集成电路为核心组件的测量、监控、保护、通信、计算机网络等先进电子设备广泛运用于电力、航空、国防、通信、广电、金融、交通、石化、医疗以及其它现代生活的各个领域，以大型CMOS集成元件组成的这些电子设备普遍存在着对暂态过电压、过电流耐受能力较弱的缺点，暂态过电压不仅会造成电子设备产生误操作，也会造成更大的直接经济损失和广泛的社会影响。
3.1 雷击造成的危害主要有五种：
3.1.1 直击雷。
直击雷是雷击危害最主要的一种形式，由于直击雷是带电的云层对大地上的某一点发生猛烈的放电现象，所以它的破坏力十分巨大，若不能迅速将其泄放入大地，将导致放电通道内的物体、建筑物、设施、人畜遭受严重的破坏或损害——火灾、建筑物损坏、电子电气系统摧毁，甚至危及人畜的生命安全。
3.1.2 雷电波侵入。
雷电不直接放电在建筑和设备本身，而是对布放在建筑物外部的线缆放电。线缆上的雷电波或过电压几乎以光速沿着电缆线路扩散，侵入并危及室内电子设备和自动化控制等各个系统。因此，往往在听到雷声之前，我们的电子设备、控制系统等可能已经损坏。
3.1.3 感应过电压。
雷击在设备设施或线路的附近发生，或闪电不直接对地放电，只在云层与云层之间发生放电现象。闪电释放电荷，并在电源和数据传输线路及金属管道金属支架上感应生成过电压。
雷击放电于具有避雷设施的建筑物时，雷电波沿着建筑物顶部接闪器（避雷带、避雷线、避雷网或避雷针）、引下线泄放到大地的过程中，会在引下线周围形成强大的瞬变磁场，轻则造成电子设备受到干扰，数据丢失，产生误动作或暂时瘫痪；严重时可引起元器件击穿及电路板烧毁，使整个系统陷于瘫痪。
3.1.4 系统内部操作过电压。
因断路器的操作、电力重负荷以及感性负荷的投入和切除、系统短路故障等系统内部状态的变化而使系统参数发生改变，引起的电力系统内部电磁能量转化，从而产生内部过电压，即操作过电压。
操作过电压的幅值虽小，但发生的概率却远远大于雷电感应过电压。实验证明，无论是感应过电压还是内部操作过电压，均为暂态过电压（或称瞬时过电压），最终以电气浪涌的方式危及电子设备，包括破坏印刷电路印制线、元件和绝缘过早老化寿命缩短、破坏数据库或使软件误操作，使一些控制元件失控。
3.1.5 地电位反击。
如果雷电直接击中具有避雷装置的建筑物或设施，接地网的地电位会在数微秒之内被抬高数万或数十万伏。高度破坏性的雷电流将从各种装置的接地部分，流向供电系统或各种网络信号系统，或者击穿大地绝缘而流向另一设施的供电系统或各种网络信号系统，从而反击破坏或损害电子设备。同时，在未实行等电位连接的导线回路中，可能诱发高电位而产生火花放电的危险。
3.2 按其破坏因素又可归纳为三类。
3.2.1 电性质破坏。
雷电产生高达数万伏甚至数十万伏的冲击电压，可毁坏发电机、变压器、断路器、绝缘子等电气设备的绝缘，烧断电线或劈裂电杆，造成大规模停电；绝缘损坏会引起短路，导致火灾或爆炸事故；二次放电（反击）的火花也可能引起火灾或爆炸；绝缘的损坏，如高压窜入低压，可造成严重触电事故；巨大的雷电流流入地下，会在雷击点及其连接的金属部分产生极高的对地电压，可直接导致接触电压或跨步电压的触电事故。
3.2.2 热性质破坏。
当几十至上千安的强大电流通过导体时，在极短的时间内将转换成大量热能。雷击点的发热能量约为500～2000J，这一能量可熔化50～200立方厘米的钢。故在雷电通道中产生的高温往往会酿成火灾。
3.2.3 机械性质破坏。
由于雷电的热效应，能使雷电通道中木材纤维缝隙和其他结构缝隙中的空气剧烈膨胀，同时使水分及其他物质分解为气体，因而在被雷击物体内部出现很大的压力，致使被击物遭受严重破坏或造成爆炸。
4.雷电的利用
雷电中所蕴含的能量很多，全世界一天的雷电放电的能量可以足够人类用一年。如果能好好的将雷电利用起来，将使人类对与其他能源的依赖大大减少。
但是以现在的技术条件来说，人类对于雷电的应用仍处于设想阶段。
结合网上的资料与我们的分析，对于利用雷电，我们有以下设想：
4.1 雷电是一种无污染的能源，它一次放电能达1至10亿焦耳。中国成语中就有“雷霆万钧”之力一词（霆：劈雷，钧：
古代的重量单位，合当时30斤）。利用这种巨大的冲击力，可以夯实松软的基地，从而为建筑工程节省大量的能源。根据高频感应加热原理，利用雷电产生的高温，可使岩石内的水分膨胀，达到破碎岩石，开采矿石之目的。
4.2 雷电能治病。每场雷雨过后，空气中的气体分子在雷电场的作用下，会分离出带负电的负氧离子。研究人员测试表明，雷雨过后，每立方厘米空气中的负氧离子可达1万余个，而晴天里的闹市区，负氧离子仅几十个。实验表明，被称做“空气的维生素”的负氧离子，对人体健康很有利。医疗专家模拟雷雨的神奇作用，将负氧离子引入病房，结果发现，当室内空气中的负氧离子与正离子的比例调控在9比1之时，对气喘、烧伤、溃疡以及其他外伤的治疗有促进作用；可使居室内细菌、病毒减少；同时，对过敏性鼻炎、神经性皮炎、关节疼痛等病症均有一定的疗效。钓鱼的朋友有一条渔谚云：宁钓雷雨后，不钓雷雨前。也是基于这个道理。此外，雷鸣电闪时，强烈的光化学作用，还会促使空气中的一部分氧气发生反应，生成具有漂白和杀菌作用的臭氧。伴随着雷电的上升气流，可将停滞于对流层下面的污染大气携带到10公里以上的平流层底部。
4.3 它可以制造氮肥。发生雷电时，大气中的闪电通道可达几千米长，温度极高，有大量的氮和氧化合成二氧化氮。生成的二氧化氮溶解于雨水中，变成浓度不高的硝酸，落入土壤中，又和其他物质化合变成硝石。是大自然对人类无偿的恩赐。
4.4 雷电可预示天气。农谚云：“东闪日头西闪雨”，因中国地处西风带内，云雨大多从西边移动过来影响本地。其他还有“南闪火门开，北闪有雨来”等。
4.5 雷电找矿。雷电爱打击容易导电的物体，利用这一特点，为地质勘探人员寻找金属矿床提供了线索。
4.6 储存雷电用作电力。电力科学家已通过不懈的努力，终于降伏雷电，使雷电不再破坏威胁电力。但是，目前能不能很好的利用雷电仍然是科学的焦点。我们人类可设计一种雷电储存器，在雷电发生时把雷电收集起来，以便用于我们的日常照明和工业生产。
通过以上利用，既满足了人类对能源的需求，又可以减少煤炭、石油、天然气等含碳能源的使用，顺应时代要求，发展低碳经济，从而改善环境，减少污染，进而提高人类生活质量，达到全世界可持续发展的目的。
参考文献
［1］ 中国期刊全文数据库.
［2］ 中国博士学位论文数据库.