湖北避雷大学排名多少位考研压分严重的学校

千千百科 2023-08-01 07:58:13 26 0

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为世界文化遗产“号脉”——武当山金顶防雷害纪事

郝用威

(湖北省地质矿产局)

被誉为“

大岳

”、“玄岳”之称的

武当山

,是我国

道教

名山,高伟壮丽、美如仙境的自然风光和多彩的人文景观交相辉映,有“天下第一仙山”之称,更是一座地质宝库,早年列为全国重点文化保护单位,继而纳入

世界文化遗产名录

,此乃国之瑰宝,世界级遗产。本人有幸自1956年直到2009年间,不计其数进行登顶,有进行地质构造、矿产地质、地震地质和考古地质调查;有“参政议政”与文物管理部门和道教界朋友求教;有接待国内外专家学者考察交流;有文学艺术工作者和大、中学师生交游;更有各类宾客、亲朋好友纯旅游性陪同,诸如此类不同目的登武当山,历览山色风光,远山浮翠,四季无尘,每每收获颇丰,感天地之宽广,

中华文化

之博大精深,地球科学奥秘,带来许多难以磨灭的乐趣,为应地学科普需求,心如潮涌,兴之所至。这里没有假如,只有真实,信笔录下印象较深的武当山旅痕,留下人生的细节。

一、去武当山解决问题

1979年10月,当时我还没有获“改正”,只是驻在

丹江口市

湖北省第五地质大队综合研究组的成员,承担一个科研项目。

一天下午,副大队长张法贤推开办公室的门对我说,有项紧急任务,要我在明天随省里来的人前去武当山解决问题。什么任务和问题?一时“丈二和尚摸不着头脑”。

后来见到省文化厅和丹江口市文化局来人,得知中央文化部、国家文物局因武当山天柱峰金殿时遭雷击,深恐击毁武当山的精华——金殿,特下令要省文化厅组织调查组前往现场调查,并采取避雷设施。为此根据防雷专家的建议请一位地质专家前往,解决发生雷暴原因。

文物、古建筑与地质学的关系,对我来说是个新问题,恐怕对地质学界也是一个没有涉及的新课题,来为武当山古迹“号脉”吧!

队长问我有什么困难和要求,作为一个地球科学工作者来说,为了认识地球,面对千万个困难,经过实地调查研究,能够一个个地迎刃而解。这次解决武当山雷害,显然心中没底,也得在现场调查之后来解决。要了一位助手是刚毕业的大学生王青华同行。

到了山上,会到省文化厅文物处高宏达处长、市文化局傅忠全局长、郧阳地区博物馆胡昌福馆长、湖北工业建筑设计院防雷专家李声宏,还有省博物馆、市水电公司前设计武当山

避雷针

的俞汉生,以及武当山文物管理所刘鹏轩所长等近20人的调查组,由高处长任组长。

10月18日到了武当山上,当天在紫

宵宫

过夜,文管所的同志为接待此行准备充足,丰盛的酒菜,频频举杯,对于我这个滴酒不沾的人来说,遇此景况,如坐针毡。19日凌晨开始登顶,中午到了天柱峰的

太和殿

,在皇经堂藏经楼西邻一座两层木楼,我们被安置住在楼上。午餐又是劝酒,我只推脱不会饮酒,下午还要工作等托词婉拒之。

可能上山的人有点疲劳,加上饮酒,一直到下午三时多方开会,听取文管所刘鹏轩所长的情况介绍,这时方才对武当山金顶雷暴有了点了解。

二、武当山金顶的雷暴与雷害

武当山的雷暴频仍。雷暴活动季节在3月22日～9月25日,也有出现在1月、12月份发生。年雷暴日数为30天,6～8月为多发月,占全年雷暴的80%。夏季各月雷暴日概率均为12%～35%之间,7月最多,平均达11天,8月次之。

武当山的雷暴,既是武当山的两大胜景,又是雷害。气流沿低山谷地顺山坡爬升的积云发展到

积雨云

的时候,微妙的物理作用使云中电场极化,负电集中云层的上部,正电荷集中在云层的中下部,于是云中、云地间的

电位差

极大,雷雨前空气湿度加大,云中为悬浮的细水珠,导电性增强,容易被击穿,产生电闪雷鸣,金殿位于天柱峰之巅,与积雨云中、低部相若,于是云中、云地发生雷电,千山万壑埋没云海中,遍地闪光,雷鸣震天,回响经久不绝,似乎为“平地惊雷”状,此为一大胜景也。

积雨云笼罩天柱峰铜铸金殿,频频闪电,发光,火球滚动,雷鸣震耳,胆大者大饱眼福,形成

球状闪电

火团,顺气流而运行,有时数个成串,单列或多列滚动漂移,遇金殿两侧砖瓦结构的签房和印房,以及金殿后的父母殿,当球状火团遇墙阻拦时,前行者即穿墙成洞而自行消失,洞口残留高温熔蚀状,这一现象并未为人们注意到。后继者则顺利穿洞而过,继续前行在空气中逐渐消逝之,这景色叫“雷火炼殿”,为武当山又一大胜景。20世纪50年代,一次登山尚未到天柱峰时,突遇雷暴雨,倾盆而下,这时只见远处,天柱峰巅的“雷火炼殿”极为壮观,时间也只有数秒钟而已,平生一大奇遇也。

1961年国务院将武当山天柱峰上的金殿为国家重点文物保护单位,国家文物局和省文化厅多次请有关专家对金殿进行考察,发现金殿的上脊瓦面有无数雷击在高温烧灼留有细小斑点小坑。1962年遭雷害,西北台阶受损,请当地专家首次安装避雷针。1976年又因避雷针导线锈蚀断路,金殿石质台基东南角和周围附属建筑物被击坏多处。1978年10月,又被当地专家检修金殿避雷装置,还设两组引接地体。1979年7～8月间,金殿及附属建筑物又接连遭受雷击,仍在东南角留有印记,为此,于当年10月出现了我被邀参加调查活动。

三、命悬紫禁城

在会议上防雷专家李声宏要求找出雷害发生原因,即既已安装防雷设施,为什么还有频频发生雷害。会上人等盯着我,是期望?是怀疑?两天来,我很少言谈,开了一个下午的会议也没出声过。这时,我不得不说了几句:明天(20日)我要登天柱峰作现场调查。这时,文管所的人大为惊讶,天柱峰没法攀登,因为太陡峭了。我说:“不入虎穴,焉得虎子”。一定要调查之后,才能发现问题所在。经过商量,只有缘紫禁城(又叫

红城

,皇城)城墙脊爬行,此城因金殿而名之,于明

永乐

十七年(1419)建成。城高数米到数十米不等,南城门城墙基厚2.4m,顶厚1.26m,上覆中高两斜坡脊顶便于流水,城墙中脊周长344.43m。环绕天柱峰巅,由每块重达千斤条石,依山岩形式砌成,采用12.62%收分工艺,使城墙由内看向外倾,外看向内倾斜,远看似光环围绕金殿,明代工匠的惊人之作。城墙贴在岩壁上,墙外即悬崖,墙内也少有几处空间,只限一两人可栖身,可见当年建造时艰难险要,20日上午当我在城墙脊上爬行一周时,如果失手顺悬崖下坠,必会粉身碎骨惊险异常,面对万丈深渊,命悬紫禁城。为了获得一手资料,同助手以及省市来的五六人同行,当见到有地质上的破裂构造时,我当设法下到城内进行仔细观察,有时因墙高,则绳索吊下,我的助手几次说让他一人下去测量,但我仍坚持亲身接触露头,进行仔细观察和仪器测量,记下许多数据。虽说紫禁城只有340余m的周长,边爬行边观察,一直到了下午方完成一周的调查,这时已直不起腰来,累得浑身汗流,停下时,山风呼叫,顿时透骨寒气侵身。这个紫禁城墙上四方各建一座仿木石建筑天门,象征天阙,门窗全为巨石雕成,花纹极为精致。全城有东、西、南、北城门,但只有南城门可通行,这里有三个门并列,中间为大门,为神门,由

真武大帝

等神人通行,东侧为“人门”,当年官员及百姓可通行,西侧为“鬼门”,传说只准鬼怪妖魔通行,但从不开放。这回缘紫禁城脊上爬行,该是胆大包天吧!

当天下午,即与助手登上天柱峰之巅的金殿继续调查,凡金殿石质台基及附属建筑多次遭雷击之处,均与我们缘紫禁城所观察到的破裂构造绝对吻合,这时,心中已解开雷害问题的大半。继又观察原已安装的避雷设施,从金顶下到凤凰池观看避雷针的接地导线,其长200余m,以及山后的导线接地点的观察。一直忙到太阳落山。夜晚继续整理资料,理顺观察结果,助手帮我作图,准备明天会议上发言。

四、三个核心问题

10月21日上午,高处长又一次主持会议,首先让我发言,谈谈调查结果。与会者全都正襟危坐,助手坐在我旁边,另一侧为高处长。这时一片沉静,与会者打开笔记本,手拿钢笔,准备记录。

我稍微思索,认为大家迫切需要听的是调查结论,于是讲了三点核心问题:

第一点,于元代大德十一年(1307)在天柱峰巅构筑殿堂到明代永乐十六年(1418)建成更大规模的金殿以来,历遭雷击,以后不可避免的继续遭雷击。

第二点,金殿决不会被雷电击毁,不必“杞人忧天”,但要防止可能发生被动损坏。

第三点,避雷导线接地点何必舍近求远,而最佳点则近在咫尺。

话音未落,会场上已议论起来:大可放心金殿的安全!天柱峰历遭雷击而未见史载;接地点近在何处?……,要求我细说端详。

五、雷害对“雷道”被堵的反动

我接着谈了第一点的根据所在:经过调查,天柱峰为孤峰突起,“一柱擎天”,由距今约十一二亿年的元古宙武当山群地层构成,当时为一片汪洋大海,这里的岩石变质程度较浅,乃中酸性火山碎屑沉积岩系,可见到喷发,溢流,沉积的基本结构,峰顶岩石为绢云石英片岩,它的

电阻率

为2×10

Ω·m,岩石几近水平,略微向北倾斜,受控于北北东和近东西向两组断裂,而天柱峰则发育与之平行的交叉三组裂隙,呈现破裂,裂隙面非常陡直,一般角度在70°～87°,似乎切西瓜似的沿天柱峰自顶而下切了四刀,即南天门—东天门(J

),签房—金殿(J

),北天门—印房(J

),父母殿—北天门(J

),(J

)、(J

)三条裂隙切穿顶峰。裂隙宽度在1m以下,中间充填有岩石碎块或混杂腐殖土,并含有水分。而J

分别与J

交会,形成数组共轭交叉,如同多条板状导体插入岩层中。在天柱峰脚下有一东西向的断层,断层面北倾,倾角为42°～55°,上盘上升,将天柱峰高高抬起,插入云霄。而上述J

—J

裂隙均为断层的低序次破裂面,即有其成因上的联系。在断层面下有凤凰池、天池等小规模水体,据说终年积水。

有了天柱峰的基本地质构造状况,再谈谈峰巅上的建筑状况(图3)。在顶部建筑群的基座全部暗绿色基性火山岩;金殿的台基又用三叠系竹叶状石灰岩铺设高台置其上,在金殿前有祭坛,亦为竹叶状石灰岩,它们都是来自异地,竹叶状石灰岩在武当山区毫无踪迹,这些石块都是明代在大兴土木时接纳全国各地的财物,因而竹叶状灰岩系来自南方省份贡献。在台基与基岩之间还以变质基性火山岩巨型石块,垒成巨大的且厚实的基座。当金顶建筑群建成后,将峰顶原来裸露的岩石和破裂结构面全形覆盖了。

天柱峰在这里高耸入云的最高点,为本地区天然的接收雷云向大地放电场所,强大的电流通过数条裂隙迅即传导到地下,一个通俗的说法叫“雷道”(即放电通路)。自建筑群出现,在原岩石英绢云片岩(电阻率最小,为10630Ω·m),发生在其中的裂隙,充以石块和土壤,其电阻率为10～10

Ω·m,上覆基性火山岩(电阻率为10

～10

Ω·m)、又竹叶状石灰岩(电阻率为6×10

～6×10

Ω·m),在最上面为铸铜质金殿(电阻率为10

-1

～10

-2

Ω·m)。经过调查发现,在金殿鸱吻上端被雷电烧灼留有黑色斑瘤甚多,有铜钱大,同时在台基东南和东北角的竹叶状石灰岩被震裂,房屋山墙,屋脊,瓦头遭不同程度的击坏,祭坛上的石雕莲花望柱钩栏也被击毁多条,凡是受损坏处,其下均有基岩中的裂隙穿过。应该说真相大白了。

这里原有的“雷道”被阻隔(竹叶状灰岩,基性火山岩,砖瓦墙体),为了瞬间放电通过强大的电流,这时在雷道裂隙受阻时,只有将阻挡物体击破而顺利畅通之。为什么自金殿建成后即遭雷击,这已不是什么秘密了。例如,由三叠系竹叶状石灰岩雕成的莲花望柱石栏被击毁之后,因无原有的石灰岩来修补,只好用武当山区产之最多的基性火山岩来替代,这是一个强有力的例证。

2009年春节期间,作者随子女又一次登上金顶,所见金殿的石质台基和祭坛的石雕莲花望柱勾栏,早先被雷电击毁和碎裂处,于近年维修时,已全部用相同的三叠系红色竹叶状石灰岩更新或者修补。未遭雷害但风化剥蚀的石质构件,历经岁月沧桑,仍原样保留。新旧构件,穿越时空,一目了然,从中可琢磨出其中的奥秘。

为什么建筑群经常受雷击而又无史载?武当山供奉道教的真武大帝,又为当时永乐皇帝所尊崇,如有将雷击受损情况呈报皇上,哪一个官员也无此胆量,因而只有“平地惊雷”、“雷火炼殿”之说,寓意天下太平景象而掩盖这里雷害的实情。元、明两代只能在叠字峰岩壁名叫雷洞内建庙有供奉雷神邓天君,请其保佑武当山的平安。

六、不能掉以轻心

回答第二个问题:金殿为铜铸全金属建筑物,殿内真武大帝两侧侍卫和铜案全为铜质,是极好的导体,自永乐十六年(1418)建成后历经雷电袭击,到如今已近600年仍然完好,为国之瑰宝。对金殿的安全不必担心了,但又不能掉以轻心。

不能低估古人聪明才智,也许会在金殿内设下隐秘的防雷设施,虽然保全一时,终因年久,类似铁铜质接地导体严重锈蚀,而失去传导功能,这仅仅推测。到了清康熙、民国初先后在金殿顶上,围着金殿建三座砖瓦结构的父母殿、印房和签房(又称更衣处所)并无防雷电设施,这一来金顶的环境大为改观,也许更易招惹雷害发生。事实上这三座建筑物屡遭雷害。

为什么说要防止金殿可能遭受被动损坏?金殿虽然不会直接遭雷电击毁,但要注意在金殿顶的鸱吻遭雷电烧灼留有许多斑瘤,这些损害究竟发生在安装避雷针之前、后,已无从考证,因为过去是不能爬上这神圣的殿堂顶上去观察。不管怎样金殿已遭到损害,如果防雷电措施不力,有无可能类似鸱吻处在特大电流下高温烧灼或局部熔损,若遇球状闪电可能发生将金殿某部位熔融洞穿,此其一也;如果设防欠妥,而将台基及基性火山岩基座击得粉碎而使金殿歪斜坍塌受损的可能,此其二也。

七、何必避近就远

回答第三个问题。原来已经安装避雷针,但接地导线超长,根据电阻定律:截面均匀的导线,在一定温度下的电阻r,可表示为

r=ρl/s

式中:l为导线长度;s为导线横截面;ρ为电阻率。

由此可见导线的电阻,决定于它的长度,截面积和材料性质。如果导线长了,电阻率越大,导线的导电本领越小。原有的二三百米的长导线电阻加大,不利于导电,因而只好另寻通路,其间就发生击坏砖木结构的房屋山墙、瓦头等。同时还得击破原有“雷道”上的阻挡物体的现象发生。

解决的方法也很简单:因势利导,将接地导线直接插入天柱峰几个裂隙通联,而导线极短,只有10余m即可,达到导流放电目的。

在结束我的发言之前,还谈到“雷火炼殿”时,发生球状闪电火团在空中漂移,发出嘶嘶的声响,视为一种涡旋状高温等离子体在高速旋转,随气流漂移运行,遇有障碍物将其击破,斯时火球泯灭,形成所谓侧击雷爆。

在1998年9月,英国《新科学家》杂志上,发表西班牙物理学家拉纳达的论文,指出球状闪电呈火团,因闪电过程中形成水平磁场和垂直磁场磁力线圈相互交织而成磁力网线,当这线网呈现球形,而发光等离子体会被这一网体“俘获”而形成球状闪电。由于水平和垂直磁力线相互束缚,使磁力线网和其中等离子体不易膨胀,武当山所见火球没有膨胀变大,只有消失,因火球也只坚持10～15s。据老道介绍所见火球似乎没有温度,但试验证明沿磁力线方向局部温度超过1.6万℃,所以当火球运行撞击砖墙,系高温熔蚀洞穿而消失。等到火球的等离子体开始冷却,这时电子开始被原子所束缚,等离子体内部电阻变大,电流趋弱,周围磁场也得随之瓦解,最终火球消失了,这是一个科学解释。

我只是找到原因,至于防雷电设置,工业建筑设计院李声宏去解决了。会议要求由我写出《湖北武当山天柱峰雷电活动区地质调查简报》,当年11月6日打印复制及分别向省文化厅,中央文化部文物局、省博物馆、县文化局、工业建筑设计院、丹江口市水电公司、武当山文管所等单位报送,由设计院作为依据进行防雷设置的设计,然后经国家文物局迅即批准于1980年初在金殿上安置新的避雷网设施,自此天柱峰巅的金殿一直相安无事。

八、一场强雷暴的检验

直到1987年5月31日18时30分左右,武当山金顶乌云密布,浓雾笼罩,一时暴雨,狂风,大冰雹齐来,7时40分左右,一声炸雷,电灯熄灭,电线起火,8时05分雨过天晴。损失惨重,520余年树龄的迎客松击毁,登顶的九连蹬铁链被击断5处。紫禁城大城砖被击12块中有4块掉落,多处房屋门窗击毁。还发生火灾,4人击伤等雷害。当年6月6～10日由地、市公安局,文化局等11个单位16人组成联合调查组,写出调查报告中关于“雷击原因:根据测试情况表明,金顶的金殿和签房、印房基本未受损失,主要是1980年安装了避雷网起了作用。经测定接地电阻为2.6Ω,符合设计要求(20Ω以内),地网完好,经检查受雷击部位均无避雷设施”。这段话是对1979年10月我们的调查结论和1980年以此为设计依据的防雷电措施作出最肯定评价。究竟为什么发生大规模雷害原因有三条:到处置放金属物(槽钢、圆钢、钢筋、铁链)照明和通讯线路乱拉乱接,不合《古建筑电器安装规程》,以前接地导线多处被切断,裸露地表,有挂在树上和悬于石头上诱发雷击原因。

当我在1979年11月6日向有关方面提出地质调查报告,和以此作为设计防雷击措施依据之后,从1980年夏季为雷暴多发时期,我每次关注武当山有无发生雷击的信息。每年夏季,提心吊胆,万一有所闪失,将成千古罪人,遗臭万年。当三年过后,武当山金顶则安然无恙,我已十分欣慰自己为祖国文化遗产的保护,作出了贡献。我是1985年春调武汉工作,但是在1987年6月在《湖北日报》上见到武当山又一次遇到更大规模的雷害时,我当即审时度势,给丹江口市政协去了一函(我曾是那儿数届常委),谈了两点看法:其一,仍然坚持我于1979年10月的调查报告是正确的,其二,据传为了开发旅游资源,对有关方面将恢复金顶上的“雷火炼殿”、“平地惊雷”景观,以吸引更多游客、香客来朝拜。对此事要慎重,不能贸然行之,这是意味着拆除所有防雷设施了。我说如果愿意承受每年可能发生的雷害损失,就来看它的“雷火炼殿”景观及产生的“雷害”的后果。

市政协很快给我回信,并寄来1987年6月11日联合调查报告,名曰“关于武当山金顶遭受雷击的情况报告”,也就是上面提到的内容。

九、“画蛇添足”么?

大约在1987年前后的一天,地质科研所刘施民告诉我,在《长江日报》(武汉市委机关报)有篇文章,议论在武当山安置防雷电设施,认为是画蛇添足多此一举,原因是金殿为铜质铸造,本身就是一个良好的避雷装置和传导体等语。

在我读到这篇文章时,我只能一笑了之。该文作者是晓得铜铸的金殿确实是良导体,但他知其一不知其二:金顶上的附属砖木结构的房屋和金殿台基、祭坛及石栏经常遭受雷害破坏,也不计修复了多少回。当然这位先生也可能未巧遇雷害及损坏的现场。况且安装避雷装置之后,金顶的雷害顿减,以至数年未见发生。1987年6月又一次发生大规模雷害,也许会被不明真相的人们说为现有的避雷装置引来的,那我就是有十张嘴也无法辩解了。幸好有地方的专门调查报告作出了科学结论。

那位朋友要我写文章反驳,我回说免了!

十、与“国宝”亲密接触

1979年10月在武当山工作时,当时只有武当山文物管理所统管,而道教协会尚未恢复道观宫的管理权利。

当我们在武当山太和宫住下时,清晨登顶观日出,而晚上去观看星空。为了方便起见,文管所的刘所长将登顶时打开南天门的钥匙也交给我。一次午餐后,别人都在午休,我和助手很方便的去登顶继续作调查。

据传晴天可看到襄樊市和近处的老河口市,但我们那几天是多云。前后多次登顶虽遇晴天,也未能看到上述二地。但这次夜晚看到东边两个城市的火光映空,呈现红色,而西北角十堰市所在地上空也泛出同样的光亮。

对于金殿内部的陈设,我们是尽情饱览,金殿构件在北京铸成,由运河经南京溯长江、汉江运达武当山组装,金殿阔4.4m、深3.15m、四周立柱12根,柱上叠架额、枋及重翘重昂与单翘重昂斗拱分别承托上、下檐部,构成重檐庑殿式屋顶。正脊两端铸龙吻对峙;垂脊圆和,翼角舒展,其上饰有仙人、龙、风、狮、海马、天马等灵禽瑞兽,依序排列整齐。四壁于立柱之间满装四抹头隔扇,殿正中间有两扇铸门,其轴嵌在户枢,可以开合,但仅发出轻微的摩擦声。额枋线划错金彩画图案,工艺极为精细;殿内顶部作平棋天花(方块天花板嵌紧),铸线刻流云纹饰,线条流畅。殿内藻井上,悬有一颗铜质鎏金宝珠,传说此珠能镇山风,故名“避风珠”。金殿造得密不透风,殿内空气不能形成对流,殿外山风呼啸,殿内神灯火苗一丝不动。雪花飘至殿内而被挡出去,金殿是一大国宝。据云我国著名的建筑学大师杨廷宝先生来实地考察,曾要几人同时顶天花板而纹丝不动,可见镶嵌工艺之精密,叹为观止。殿内地面以紫色红色竹叶状灰岩铺地。殿中神像,中坐者为真武大帝,披发赤足,发丝细密,目光炯炯,英姿魁梧。右侍玉女端宝双目凝视,温雅文静,拘谨恭顺,裙服饰飘逸状;左侍玉童捧册儒雅庄肃;执旆捧剑两武士,分列两侧剑眉凤目,勇猛威严。铜香案下置玄武一尊,为龟蛇合体,龟头上昂,蛇伸出身子在空间与龟相呼应交流状。后壁上方高悬鎏金铜匾额一方,上书“金光妙相”四字,系清圣祖康熙皇帝手迹。殿外檐际悬立盘龙斗边鎏金牌额,上书“金殿”二字。殿体各部件全系铜铸,并鎏金、榫卯拼装,合缝精密,毫无铸凿的痕迹,虽经500多年的严寒酷暑、风雨雷电的侵蚀,至今仍辉煌锃亮。这些能让我们仔细地观赏和抚摸,实在是极好的机会。由于文管所同志的热情接待,我向他们请教,也得到不少的知识,大长见识。真有“登山五天,胜读十年书”之感。

十一、尽览金顶奇观

金顶奇观,一般传有:

“天柱晓晴”:黎明时分,峰巅为阳光照得金光灿烂。

“雷火炼殿”:前已讲,这里讲一个传说,在金殿四周,惊心动魄的,雷电火球滚动,相传天帝唯恐敬香的信士染脏了金顶;又有说怕有心术不正的人偷走金殿的宝贝,便说雷公雨师来洗金殿,保持清洁,把殿内宝贝炼得更坚固,还有警告图谋不轨者。

“祖师出汗”:金殿内供奉的真武大帝的尊称为祖师。每次下雨前,殿内湿度大,在神位聚合晶莹的水珠。

“海马吐雾”:在金殿翼脊有海马铸像,因系中空,受太阳照射,如气温下降遇雨时,海马口内排出热气,遇冷空气而雾化,有时风从海马口旁吹过,会发出声响,喻之为海马长啸。海马即天马,所谓“天马行空”即是。

“月敲山门”:从金顶一座门向远处看悬在空中的月亮,夜深人静,似乎月亮前来叩门。清香的凉风,沁人心脾,顿觉解脱一切人间烦恼。

“武当日出”:向东方观看,霞光万道,在彩霞中慢慢跃出弯钩状,呈跳跃状这时又急速变化为半圆,到大圆盆,由火红色到金红色,冉冉升起,耀眼夺目,华光四射,大地顿时充满生机。

以上这几个胜景除“雷火炼殿”是在20世纪50年代亲见外,其他都是1979年在武当山上一一先后观赏到的。还有著名的“金殿倒影”,“浅海奔潮”(指云海)等没能观赏到,不过在事后登临武当山时,先后有幸观赏到。

十二、后记

登顶调查的助手王青华是湖北人,很快与调查组内的人熟悉起来了。在我做了调查第一次发言后,王青华听很多人反映说郝工是少言寡语,千思万想,引而不发,一鸣惊人。同行的另一位专家则见事风生,滔滔不尽,海阔天空,不绝于耳。听了之后,我对王青华说:人的个性和专业不一样,我们搞地质学必须是在现场作调查研究之后方能有发言权。是我们的地质工作的一个准则。

本文中所列岩石电阻率,系由五大队物探分队何广跃测试提供。

本文主要成果,已载入新版《武当山志》(1994年,新华出版社出版)。

为什么安装避雷针的建筑物有时还会遭雷击？

建造房屋以蔽风雨,是人类获得安宁生活的重要进步,但是它却不能遮蔽闪电。几千年来连神庙、佛塔、教堂都累遭雷击。历史上虽不乏能工巧匠,寻求避雷之术,但一直到近代科学技术阐明雷电性质之前,人们是无法躲避雷电的危害的。今天,建筑物和各种重要设施的行之有效的避雷措施——避雷针是美国科学家富兰克林发明的。他用科学实验证明了闪电就是静电高压放电之后,避雷针防雷的技术也就有了科学的基础。200多年来人们的长期实践,进一步证明了避雷针是可靠的。

世界各地,处处可见它的踪迹。楼屋、厂房、烟囱、火箭航天器发射塔、卫星天线等的顶部高高地耸立着一根,甚至几根金属杆,那就是避雷针。

我国古建筑物中的宝塔,有些用铁链从塔顶引下,末端埋入水井中,这样的宝塔很少被雷击毁。中世纪,欧洲许多教堂的尖顶由于高耸入云端,常常是雷击的目标。但也有个别的高大建筑却能幸存下来。如有一座大教堂,以镀金的金属覆盖了教堂的圆顶,圆顶四周又竖起了一些尖头长铁棒。金属圆顶通过泄水铁管与地面的铁制下水槽相连。这些古建筑完整地保存下来。当年人们并不清楚其中的道理。只有在科学

发展之后,今天的人们才揭示出它们为什么未被雷击毁之谜。

1749 年,富兰克林在做了放风筝实验之后不久,又有了新的发现。有一次,他给一个绝缘的金属地球仪带上了静电,当一根尖形的铁棒靠近地球仪时,后者的电荷慢慢地消失了。这件事给了他启示。他想,如果用一根尖形铁棒,涂上防锈剂高高坚在风标、教堂或塔尖顶上,再用导线连接到埋在地下的金属物上,那么在雷电期间铁棒会以同样方式放电的。这样,1752年,富兰克林创制了世界上第一根避雷针。不久即在美国推广使用,随后英国从1762年,德国从1769 年也开始陆续使用了避雷针。

l 避雷针为什么能避雷呢?

有人认为。避雷针在雷雨云的感应下产生尖端放电,能中和掉雷雨云中所带的电荷,从而避免发生雷击。也有人认为,避雷针是吸引闪电电流,并把它导入地下。我们必须弄清楚哪一种说法是正确的,才能设计避雷针,有效地避免雷击。

如果避雷针的作用是前者,那么放电的尖端越多,放电中和的效果就应该越好。让我们看看实际情况。树木是导体,森林的数不清的树枝梢就如放电尖端。照理说,雷雨云飘过森林上空时,云中的电荷应该受到这么多尖端放电的电荷所中和,消雷作用应是最明显的了,但森林遭雷击的事例却屡见不鲜。美国有人在一空军基地把一个用几百个放电尖端做成的阵列装在一座360米高的天线塔上,用以保护该塔免受雷击,但在3个月之内就受到了11次雷击,其中有5次已拍下了照片。

最重要的判据还是科学的实验测定。实验测量表明,避雷针在雷雨云的电场作用下所释放的电量是微不足道的。一根避雷针的尖端放电电流一般只有几个微安,而一次中等的雷击能释放大约25-30库仑的电量。这相当于几千根避雷针在几十分钟内放电的总电量。

富兰克林在起初持第一种观点。但很快他就修改了这种见解。他指出,避雷针在雷暴期间的放电电流太小了,它的作用是把闪电引向自身,并沿着它流入大地。

避雷针的作用是“引雷”,而不是“避雷”。正确的名称应是“引雷针”,但“避雷针”这个名词是从英文译过来的,原文并没有避雷的意思,是百余年前的译者根据自己的理解所译的,一直流传至今。大家用惯了,只要认识了它的作用,延用这个名词也无妨。

l 为什么避雷针能吸引闪电?

这就要联系到静电放电现象了。闪电其实就是两个带异号电物体之间的火花放电。带电体的突出部位的尖端附近电场强度最强,空气首先在这里击穿,电流就从这里开始流通。雷雨云与大地也是一对带电体,地面的突出部分的尖端附近同样也是空气最易击穿的地方。在建筑物的最高端装上金属尖杆,显然火花放电最易在此处发生,这就是避雷针吸引闪电的道理。闪电电流要流入大地,需要导电通道,所以必须用较短导线把金属尖杆连接到接地装置上,不让闪电电流窜到建筑物的各部分去。

由上所述,避雷装置一般由接闪器、引下线和接地体三部分组成(图13.1)。避雷针只是接闪器的一种形式,此外还有避雷带、避雷网等。通常书刊中所说的避雷针,其实常常是泛指包括接闪器、引下线和接地体三者在内的整个避雷装置,而不是单指杆状的接闪器。

接闪器也叫受雷器,是吸引闪电电流的金属导体,常用的针式接闪器也就是避雷计。接闪器一般用镀锌钢筋、钢带或钢管制作,由于闪电电流通常沿导体的表面流动,因此,避雷针应有尽可能大的横截面积。针的顶端不一定呈尖形,做成圆球形、扁形均可。也不必专门做成几个叉状,它对增加吸引效果并不显著,也不经济。针必须安装牢靠,能经受住风吹。

引下线是敷设在房顶上、墙壁上或墙壁内的导线,通过它可把闪电电流引到接地体上。可用圆钢或钢带做成。它的横截面积也要尽量大些。引下线的敷设路径越短、越直越好,而且要安装在人不易接触到的隐蔽地方。在离地面约2米一段的引下线应该用插在地下的金属套管套起,以免受损。最好不要用绞线做引下线,因为它易腐蚀。还要避免引下线出现急转弯和拐角,在这些地方受闪电电流冲击易折断,最好采用弧线,并牢固固定。如果采用多根引下线分头引导电流,每两根之间的距离尽量远些。

接地体是埋设在地下的导体。它可把闪电电流泄放到大地中去。接地体常用镀锌扁铁或钢筋等做成。为了使它能与大地有较大的接触面积,可将它做成栅状或网状,埋在导电性能好的土壤中,如湿土或粘土中。深埋一般不小于0.5一0.8米。埋设接地体还应考虑避开人易通行的地点,以免行人遭到闪电电流的跨步电压之害。

避雷针对于保护建筑物是很有益的,从安全角度看,最好对所有建筑物都进行防雷。但事实上没有必要这么做。需要考虑建筑物的造价和实际效果。对于那些极少遇雷电的地方,就不必要考虑防雷问题。因此,只能根据各地区的雷电活动情况,建筑物所在地点的具体环境,建筑物本身的重要性以及物质和经济条件等因素来综合考虑是否安装避雷装置。

然而,据国外一份资料统计,低矮民房受雷击的事例还是不少的。美国每年平均有2000多户民房遭雷击。为此,对一般居民来说普及有关防雷的知识还是很必要的。

安装避雷装置,要遵守下列主要原则。避雷针必须高于一切被它保护的建筑物。装置的各部分连接要牢靠,应采用电焊或气焊,不许采用绑接和锡焊。屋顶的金属部分、煤气管、水管和其他一切金属物体都应与引下线相连接,并且要加焊。避雷装置还要注意与建筑物的内、外电气线路远离,以免发生火花放电。如果避雷装置接地不好或安装不合规格,那么被它吸引的闪电电流就可能流窜到建筑物的其他部分。从而造成破坏。

l 避雷装置能保护多大范围内的建筑物?

1777 年5月15日那天,伦敦附近普夫里特镇上的一座火药库因雷击而轻微受损。这座库房的避雷装置是由包括富兰克林在内的几位科学家设计的。出事之后,检查发现避雷装置完好无缺。这是他们第一次观察到避雷针保护范围的局限性。1979年,法国一位科学家首先提出了避雷针的保护范围问题。后来不少人继续进行实验研究,提出了避雷针可以保护一个圆锥形空间内的建筑物。圆锥的高就是避雷针尖端到地面的距离H(图13.2),圆锥底面半径等于避雷针高度的1—1.5倍。以上指单根避雷针而言,单根避雷针只能保护像烟囱、小楼等占地面积不大的建筑物。对于占地面积较大的建筑物应采取多根避雷针组成的避雷针群(图13.3),它们的保护范围是每根避雷针保护空间的总和。

在高空输电线路中,采用避雷线或叫架空地线来防雷。它是一条或两条平行悬挂在高压线上空的接地良好的钢导线。避雷线的保护范围类似一个以它作为屋脊的人形帐篷内的空间,图13.4表示高压输电线的避雷线。

l 天空雷电活动多的地区,其上的建筑物是不是易受雷击?

这不能一概而论,还要看该地区的地形、土壤条件和周围环境等因素。我们曾说过,雷击是有选择性的。从地质条件看,土壤电阻率小的地方,如特别潮湿的河床、池沼、苇塘、含有导电物质的金属矿床等地区上的建筑物易受雷击。还有,在土壤电阻率发生突变的地点,如岩石与土壤交界处。稻田与山坡交界线等地点上的建筑物也易遭雷击。从地形上看,高耸突出的建筑物和空旷地带上的孤立建筑物以及靠山临水地点的建筑物都易遭雷击。还有铁路枢纽和终端。架空线路转角处等地点的建筑物也是雷击的重点目标。所以说,设计和安装避雷装置要根据建筑物所在地的地形、地貌特点,建筑物的性质和使用条件来具体分析,合理设计,以达安全适用。

雷电对高层建筑物有时发生侧击和绕击现象,如莫斯科附近的一座高537米的电视塔。在4年半的雷雨季节曾遭到143次雷击,大部分雷击打在塔顶下方20一36米以上的塔体,有两次是打在塔顶下方200和300米处。因此,在近代高大建筑物的防雷问题中必须考虑这一现象。

l 避雷外发明200多年来有没有新的发展呢?

有!这些发展是与近代高层建筑的发展密切相关的。

第一个遇到的问题是:是不是雷电一定袭击建筑物的最高端?实际上不一定。我们在静电击穿现象中说空气是不导电的,实际情况不完全如此。有各种原因(后面还会讨论此事)会使大气中出现导电的粒子,因此大气发生击穿的途径就与这些导电因素有关。闪电的通道和落雪地点常带有随机性,而且现代建筑物内有各种电气设备和其他金属设备,它们会产生电场,这都影响着闪电的袭击位置,因此,在近代高大建筑物的防雷问题中必须考虑这个问题。

第二个问题是:近代建筑普遍采用钢筋混凝土结构,能否利用它防雷以减少建筑防雷的经费呢?为此。我们需要介绍一些静电学中关于等电位面和静电屏蔽的知识。我们知道,一个金属导体靠近一个带电体时,该金属表面必感应出电荷,电荷的分布总是使导体外部的电场终止于导体外表面,整个导体表面处处电位相同。导体内部如果挖空了,情况也不变。这样在这个金属壳内的物体可以说是被外壳屏蔽了,不受外界电场的作用。把金属壳换成金属网,其效应相同,同越密屏蔽效果就越好。这个金属同组成了一个等位面,它对外面的电场起了静电屏蔽作用。可以做一些实验来证明这个原理。把一个验电器用金属网罩起来,不论外面放一个对地有多高电位差的带电体,验电器毫无动作。把金属网一取走,验电器立刻显示高电压。这就使我们想出避雷的妙法,在雷电交加时,人躲入汽车内是绝对不会受雷击的,既使雷击汽车外壳,里面的人仍安然无恙。

根据以上道理,现代建筑就采用一种新的既经济又安全的防雷设施,称之为“暗装笼式避雷网”。把建筑物中的金属结构钢筋连成一整体,构成一个大型金属网笼。如果建筑物遇到雷击,由于它已构成了等电位面,其内部的人和设备不会有危险。这种笼式避雷网既起屏蔽作用,又充当引下线,是一种更加经济、美观和安全的防雷方式。你到大街上转一转,可看到很多新楼的屋顶上不再有高耸的金属杆和引下线了,那就是因为它们已用上笼式避雷网了。屋顶的各种金属物都用导体连到笼式避雷网上。在屋顶四周还应布设一条金属带,称避雷带,把它与避雷网接上。

l安装了避雷装置的建筑物是否就万无一失不遭雷击了呢?

那不一定。有些高大建筑物虽安装了避雷装置,但因接地线断裂等原因而“有形无用”了。例如,1987 年5月31日湖北省武当山金顶遭雷击,原因是金顶上的避雷针接地导线在建设施工时被折断,事后没有检查和修复。又如,1985年上海市龙华寺遭雷击,弥勒殿的屋顶被削去一角。龙华寺是装了避雷针的,又未受损,为什么还会遭雷击?据分析,原来是弥勒殿不在其上的避雷针的有效保护范围之内。可见要确保避雷装置发挥效能,就要正确设计、正确安装,还要经常保养,使它经常处于良好状态,这样一般就可免受雷害了。这里我们对读者提出一个忠告:一定要重视科学,不要轻视避雷技术各种环节的科学原理。更不可自以为是地自行安装避雷针,那是危险的,弄不好,反而会“引雷入室”,反倒遭了雷击灾祸,这种事例不少。科学是马虎不得的,对雷电不能存侥幸心里。