行驶在高速公路上的汽车遭雷击原因探讨

2013-12-07李建粮周雪君

浙江气象 2013年3期

李建粮周雪君魏雪

(台州市气象局，浙江台州318000)

0 引言

每年据新闻媒体报道都有数起汽车被雷击事件发生。人们普遍认为汽车有金属外壳，遭受雷击具有“法拉第笼”保护效应，车内人员是安全的，因此极少考虑车辆如何防雷。但汽车在行驶过程中遭受雷击，驾驶员受到突如其来的惊吓，处理不当极易发生车祸，造成二次事故的发生，危害也不小。况且高速公路许多路段建设在平原地带，其中高架桥、路通常是周边环境最高的建筑设施，并且高速公路护栏是金属的，相当于雷电接闪器，这种环境遭雷击的可能性极大。

下面通过两个雷击事故现象，从大气电场、电位分布等方面来探讨行驶在高速公路高架桥上汽车遭雷击的成因。

1 轿车被雷击时的状况

1.1 2012年9月8日傍晚雷雨期间，张某驾驶一辆轿车在甬金高速向金华方向行驶到79 km处时，该处路面较高，四周开阔，突然车顶安放天线的地方被雷电击中，车顶被击坏，挡风玻璃也被震碎，所幸未造成车祸和人员伤亡。

1.2 2008年夏季的一个下午，甬台温高速公路大溪路段，一辆轿车以90～100 km/h的速度行驶在15 m高的高速公路高架桥上，高架桥两侧是开阔的田野和村庄，一道闪电击中轿车的头部和路旁的金属护栏上，轿车失去控制撞上护栏，翻滚在公路上，驾驶员所幸无大碍。

2 高架桥周围大气电场环境分析

2.1 大气电场强度分布是影响闪电通道的因素之一。在地势平坦的地方，晴天时，近地面的大气电场是均匀的水平分布。但由于地表物的存在，则电场、电势分布均会受到地表物的影响而发生畸变，地表物越高畸变越明显，地表物上方电场强度最强。雷暴云下大气电场及电位分布受地表物影响更加显著，地表电场极不均匀，在地表物上方附近由于感应电荷产生的电场作用强烈，电势分布及电场强度与周围空间其他地方相差较大，给闪电提供了较理想的通道。

2.2 在这里，15 m高的高架桥是地表物，图1所示为高架桥桥面及周围空间内的等势面分布，及高架桥的纵向剖面图。可以看出桥面以上空间内的等势线分布比较密集，电场强度较大。尤其在两边金属护栏处，电场强度最大。经计算可得高架桥周围各处的电场值，假设周围开阔地(田野)上方的电场值为参考值1，则图1中所标出的A、B、C、D 4点处的电场如表1中所列。

表1 高架桥周围各点电场与参考点之比

由表1可以直接看出，位于桥面护栏上方A点处的电场是周围空间电场的4.4倍，最容易吸引雷电。而位于桥面下方，桥墩旁边的C点电场则只有参考值的0.3倍，被雷电击中的概率相对最小。距离桥墩15 m处的D点受高架桥的影响最小，已经接近于周围开阔地的电场值。B点为汽车未经过时的电场，当桥面大气电场高于击穿空气临界电压时，就会发生闪电，因此该桥面金属护栏是雷击重要位置，桥面其次。

图1 高架桥周围空间内的电场分布

2.3 为了计算高架桥周围各处的大气电场值，本文利用三极性雷暴云电荷结构分布模型，通过有限差分算法求解泊松方程，研究了高架桥引起周围电场的畸变特征，具体结果如表1所示。在具体计算中，本文采用七点差分格式建立三维空间电场的差分方程组，通过超松弛迭代法对差分方程组进行求解，并结合数学工具MATLAB软件编写程序，绘制等势线分布图。计算的公式和计算过程比较复杂，详见参考文献，这里不作具体介绍。

3 电场分布变化导致高架桥及汽车易遭雷击

雷暴云集聚了相当量级的电荷，其下方高架桥面也感应出相应的异性电荷，高架桥面越高其表面的感应电荷也相应越多，电荷聚集到一定数值时，就会击穿空气向上发生上行先导，迎接闪电。

3.1 高速公路高架桥及枢纽比两侧高出许多米，是周围空间的制高点，感应出的电荷高于两侧空间。如(图1)A点所示，金属护栏易发生先导，是雷击的一个因素。

3.2 当没有汽车流动时，桥面电场和电荷分布虽然很高，但相对比较稳定;当汽车流动时，扰乱了桥面的空气，打破了桥面电场和电荷分布状态，使其分布瞬间极不均匀，且变化较快，汽车周围的电场发生畸变，如图2所示，汽车顶部的电场增大，大大增加了汽车被雷击的可能，是雷击的第2个因素。汽车流动的快慢与电荷分布变化有着直接关系，即汽车流动越快，电荷分布变化也快。

图2 高架桥上的汽车周围的电场分布

3.3 第3个因素是，汽车本身是金属外壳，在雷暴云的感应下，顶部也聚集了相当的电荷量，并且与桥面的电荷是同性的，那么汽车所到之处，该位置的电荷就瞬间增加，容易遭雷击。如果桥面某位置的电场刚好处在击穿空气的临界，那么汽车经过这个位置，会增加这个位置的电场，就更易激发雷击通道。

3.4 最后一个因素，就是汽车在行驶中，头部对空气压缩最强，空气密度最高，电荷量也相对较多，给雷击汽车头部提供了方便。

3.5 综合上述分析，在高速公路或高架桥上高速行驶的汽车有3项感应电荷叠加的效应，即桥面电荷、汽车外壳电荷和汽车头部空气电荷。所以在高速公路高速行驶中的汽车顶部和头部易遭雷击。

4 高速公路高架桥面防雷状况分析

高速公路两侧都有金属护栏，就高架桥面防雷而言，相当于安装了避雷带，是良好的接闪器。但高架桥的金属护栏，没有专门做防雷接地，同一路段两侧的金属护栏接地电阻也不一样。当雷暴云电场感应时，高架桥上两排金属护栏产生的电荷量是不等值的，使桥面的电场分布产生不均匀性，加之汽车的流动，更扰乱了电荷密度的分布，为雷电击中护栏提供了便利条件。因此高架桥上防雷设施不完善，电场分布不均匀，也是雷击成因之一。

5 如何减少雷击事故发生

5.1 首先要重视研究发现高速公路上，哪些位置易遭雷击，然后完善高速公路的防雷设计。

5.2 把高速公路易遭雷击路段的金属护拦，每隔几十米接地一次，每隔一路段，两侧护栏做等电位连接。若有高杆路灯，首先做好路灯的防雷措施，再以灯杆为避雷针，扩大公路的雷电保护范围。使整个高速公路成为一个防雷体系。5.3 行驶在高速公路开阔地带上的汽车，在雷雨来临或雷雨时，为了减少电场变化率，应减慢车速，同时根据路况和天气情况，车速控制在高速公路行驶规定的最低限度内。

5.4 雷暴天气下，汽车尽量少上较高的公路枢纽、高架路桥;尽量把车顶上的天线等容易引雷的物体收起，车上人员尽量往车中间位置靠，紧闭车窗。