闪电

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Oradea,羅馬尼亞的閃電
法國圖魯茲上空的閃電

闪电,在大气科学中指大气中的强放电现象。在夏季的雷天气,雷电现象较为常见。它的发生与云层中气流的运动强度有关。有资料显示,冬季时也可能发生雷电现象,即雷雪,但是发生機會相当微小。若有嚴重的火山爆發時,或是原子彈爆炸產生曇狀雲,空中可能因短路而發生閃電。

闪电的放作用通常會產生电光。雷电起因一般被认为是层内的各种微粒因为碰撞摩擦而积累电荷,当电荷的量达到一定的水平,等效于层间或者云层与大之间的电压达到或超过某个特定的值时,会因为局部电场强度达到或超过当时条件下空气电击穿强度从而引起放电。空气中的電力經過放電作用急速地將空氣加熱、膨脹,因膨脹而被壓縮成電漿,再而產生了闪电的特殊構件(衝擊波的聲音)。目前对于放电具体过程的认识还不能透徹明白,一般被认为和长间隙击穿的现象相类似。

闪电的电流很大,其峰值一般能达到几万安培,但是其持续的时间很短,一般只有几十微秒。所以闪电电流的能量不如想象的那么巨大。不过雷电电流的功率很大,对建筑物和其他设备尤其是电器设备的破坏十分巨大,所以需要安装避雷针避雷器等以在一定程度上保护这些建筑和设备的安全。

闪电类型[编辑]

云间闪电
雲中放電下的閃電

按其在空气中发生的部位,大概可分为中、云间云地之间三大种类放。云中放电佔闪电的绝大多数,云地之间放电者则是对人类的生产和生活产生影响的主要形式。

雲中放電[编辑]

雲中放電(英语in-cloud lightning

在0℃層以上,即空氣溫度下降到冰點的高度以上,雲內的液態變成晶和過冷卻水滴(達0℃卻來不及凝結就落下的水滴)。由於空氣的密度不同,造成了空氣對流,在這些水滴或冰晶摩擦碰撞的過程中產生電荷。如雲內出現兩個足夠強的相反電位,帶正電的區域就會向帶負電的區域放電,結果就產生了雲內閃電(in-cloud lightning)或雲間閃電(cloud-to-cloud lightning)。風暴細胞內八成的放電過程屬於這種類型。

云地之间放电[编辑]

閃電的能見度靠賴於能量的傳導
閃電
云地间放电
云地之间放电(英语cloud-to-ground lightning

這是最廣為研究的類型,主要是因為它們對人們的生命財產有極大的威脅性。

在一次正常的閃電前,雲裡的電荷分布是這樣的:在底部是較少的正電荷,在中下是較多的負電荷,在上部是較多的正電荷。閃電由底部和中下部的放電開始。電子從上往下移動,這一放電由上向下呈階梯狀進行,每級階梯的長度約為50米。兩級階梯間約有50微秒的時間間隔。每下一級,就把雲裡的負電荷往下移動一級,這稱為階梯先導(英语stepped leader),平均速率為1.5×105公尺/秒,約為光速的兩千分之一,半徑約在1到10公尺,將傳遞約五庫侖電量至地面。當階梯先導很接近地面時,就像接通了一根導線,強大的電流以極快的速度由地面沿著階梯先導流至雲層,這一個過程稱為回擊,約需70微秒的時間,約為光速的三分之一至十分之一。典型的回擊電流強度約為一至兩萬安培。如果雲層帶有足夠的電量,又會開始第二次的階梯先導。

雷電擊又分為負雷電擊(英语negative stroke)及正雷電擊(英语positive stroke),也就是由雲層往地面傳下來的是正電荷。正雷電擊的發生機率比負雷電擊小,但攜帶的電量會比負雷電擊大,曾測量到的最大值為300庫侖。正雷電擊通常只有一擊,有第二擊的正雷電擊相當少見(因為雲層內靠近地面的正電荷較少)。

云间放电[编辑]

云间放电是一种很少发生的闪电,它在二个或更多完全分离的积雨云中放电。

球状闪电[编辑]

球状闪电(英语Ball Lightning)通常被形容做一个在空中漂浮的发光球体。它们移动速度不定,甚至可能出现静止的状态。有时候会发出咝咝的爆裂声,甚至有些球状闪电在穿过窗户后爆裂开来消失了。有很多目击者都描述了球状闪电,但是奇怪的是,气象学家很少记录到它們。

日本人的研究显示出多宗球状闪电多会发生在无暴风雨及闪电的情况之下。

许多不在这个球状闪电领域工作的科学家是不能体会到球状闪电的领域特性是多么广泛的。典型的球状闪电直径通常被规范化为20-30厘米,但有报告记载了球状闪电直径可达数米以上(Singer)。一张最近的相片是由昆士兰机动队员Bret Porter所拍摄,相片中显示了一个相信为球状闪电的一个火球,估计直径大约为100米。相片是刊出在科学杂志“Transactions of the Royal Society”,标题为“一个有一条长而扭曲轨迹的发光球状区域((英语a glowing globular zone (the breakdown zone?) with a long, twisting, rope-like projection(the funnel?))”。

高文(英语Coleman)是最早发表这个理论的科学家。在1993年,他在英國皇家氣象學會((英语Royal Meteorological Society)的出版刊物“Weather”中发表了这个理论。

球状闪电是很难被人看见的。事实上,只有数次成功拍摄为照片的记录。

圣艾尔摩之火英语St. Elmo's Fire)是被富兰克林正式评定為自然界中的电力。这是与球状闪电完全不同的。

珠状闪电[编辑]

珠状闪电(Bead Lightning),又称“链状闪电”(Chain Lighnting),一种长时间的闪电的形式,表现为一串发光段而不是连续的闪道。它很少发生,但被多次观测到。其原因还不清楚,但提出的解释有:部分闪道朝目击者或离目击者倾斜,因而显得更加光亮;雨或云使部分闪道变暗;截面半径大的闪道比半径小的冷却要慢。

枝状闪电[编辑]

常见的闪电多是分岔的枝条状而非平直的线条状,其中的奥妙人们却不甚了解。荷兰科学家最近解释说,大气放电过程中存在两种气体,因而放电时如同两种不同黏度的液体混合,最终会产生分岔的枝条形状。

来自荷兰阿姆斯特丹CWI研究所的科学家曼努埃尔·艾里亚斯与同事介绍说,闪电中有两种不同的媒介,即中性气体和一个充斥着电离气体的“通道”。在放电过程中,通道会在“最佳时间”形成一个理想导体,也就是说电流可以在其中无阻力的流动。在同一时刻,电离气体和中性气体原本存在的界限不稳定,两种气体“交融”,因而出现了分岔的枝条状现象。科学家解释说,这一现象类似两种不同黏度的液体互相渗透出现的结果。

科学家还解释说,大气中的放电过程是否会出现分枝现象取决于电场的强度。如果电场强度大,即使阴极和阳极气体之间只是相隔数毫米,也可能迅速形成“枝繁叶茂”的闪电现象。

正极闪电[编辑]

是一般闪电强度的10倍,曾制造过5宗空难,就连巨无霸喷气式客机(波音747)也难逃厄运。

超級閃電[编辑]

是一種稀有的閃電,是一般閃電的強度的100倍甚至更多,可燃燒出藍色的火焰。最強可以有十萬億瓦特。

中高层大气闪电[编辑]

一个紅電光閃靈

和閃電有關的還有藍色噴流紅電光閃靈極低頻率輻射,而藍色噴流是雲頂與電離層之間的放電現象之一,被視為是雲對地面閃電同等地位的反向高空閃電,它和另一種高空放電現象「紅電光閃靈」有非常大的差別,藍色噴流持續發光平均時間約零點三秒,比紅電光閃靈要長約二十倍。另外藍色噴流可以很明顯看出發光的噴流從雲層中向高空噴出,與紅電光閃靈是在高空發光、沒有噴射之現象完全不同。

其他[编辑]

閃電还會把范艾倫輻射帶英语Van Allen radiation belt)清出安全狹槽,所以一般衛星都飛在此區,比較不受放射線破壞。而有科學家認為閃電一般只有百萬伏特,是不能穿過大氣(絕緣體),但科學家發現宇宙射線會破壞大氣分子產生X射線外,還會讓大氣變得較易導電,所以閃電發生和宇宙射線也有關。

閃電的瞬間:0.32秒間

纪录及发生地点[编辑]

在地球上闪电频率的一个比较古老估计是每秒钟100次。现今人类可以用人造卫星查出闪电的频率,包括观察在没有人烟居住的地方,可知的发生闪电纪录是平均一秒钟44 ± 5次,全年几乎总共发生闪电次数为10.4亿次的闪电。[1][2]这些闪电中有百分之七十五是云间放电(云对云闪电),百分之二十五为云地之间放电(云对地闪电)。[3]

其它星球上的闪电[编辑]

因为闪电需要击穿气体,所以闪电不可能在真空的空间内出现。但在其他行星的大气层内有侦测到过闪电,如金星木星。人们估计木星上的闪电比地球上的闪电强100倍左右,但是发生频率只有地球上闪电的十五分之一。至于金星闪电的具体情况现在还在争论中。在70年代到80年代中前苏联的金星号英语Venera)和美国的先驱者计划英语Pioneer program)中,资料显示在金星的上层大气中发现了闪电,但是卡西尼—惠更斯号英语Cassini-Huygens)经过金星的时候却没有发现任何闪电的发生。

閃電成因[编辑]

雲中電荷分離的現象至目前為止還是研究中的課題,有很多假說被提出來試圖解釋此一現象發生的原因。

靜電感應假說[编辑]

根據靜電感應假說,至今仍未充分了解電荷的分離過程,不過似乎總要有很強的上昇氣流將小水滴抬升,使它們產生過冷至攝氏-10度到-20度。這些過冷的小水珠會和冰晶相碰撞產生柔軟的冰水混合物—軟雹(英语graupel),這些碰撞會使冰晶帶有正電、軟雹帶有負電。此時上升氣流會繼續將較輕的冰晶(帶正電)抬升,軟雹則因較重而落至雲的中下層,進而造成雲層上半部帶正電,下半部帶負電的電荷分離現象。 此電荷分離過程使雲間的電位差不斷增加,直到足以釋放而形成閃電。

極化假說[编辑]

極化機制分為兩個部份:

  1. 掉落中的冰晶和小水珠通過地球的環境電場(英语Earth's natural electric field)會產生電極化的現象。
  2. 碰撞中的冰粒會因靜電感應而帶電。

闪电的破坏[编辑]

被雷电击中的樹木

一般農夫隻身在空曠地下田,就具有尖端放電的效果(避雷針就是運用此一的原理,並且做到接地的功能),很容易成為雷电击中的目標。闪电破坏力很大,若擊中人體,身上的水分會瞬間蒸發,並可擾亂人的心跳而致人於死地,也會使人燒焦,称为雷击死亡。就算因為身上金屬飾品的誘導而沒有被正面擊中,也可以把電力透過地面傳送到人體,死亡率為10%~30%。若在森林發生,有可能造成森林大火,而若在沒有保護措施的情況下,電器用品被擊中時可能會發生爆炸或是跳電等情形。飛機雖然因為金屬外皮的導電性,可免於電流流入內部,但若過於強大會有可能影響儀器的使用而導致問題發生

而閃電擦過絕緣體或高電阻物品時,會產生熱效應(heating effect),形成大量熱,燃燒該物品。

參考[编辑]

附注[编辑]

  1. ^ John E. Oliver. Encyclopedia of World Climatology. National Oceanic and Atmospheric Administration. 2005 [February 8, 2009]. ISBN 9781402032646. 
  2. ^ Annual Lightning Flash Rate. National Oceanic and Atmospheric Administration. [February 8, 2009]. 
  3. ^ Where LightningStrikes. NASA Science. Science News. December 5, 2001 [July 5, 2010]. 

參見[编辑]

外部链接[编辑]