閃電

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Oradea,羅馬尼亞的閃電
法國圖魯茲上空的閃電

閃電,在大氣科學中指大氣中的強放電現象。在夏季的雷天氣,雷電現象較為常見。它的發生與雲層中氣流的運動強度有關。有資料顯示,冬季時也可能發生雷電現象,即雷雪,但是發生機會相當微小。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。

閃電的放作用通常會產生電光。雷電起因一般被認為是層內的各種微粒因為碰撞摩擦而積累電荷,當電荷的量達到一定的水平,等效於層間或者雲層與大之間的電壓達到或超過某個特定的值時,會因為局部電場強度達到或超過當時條件下空氣電擊穿強度從而引起放電。空氣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,再而產生了閃電的特殊構件(衝擊波的聲音)。目前對於放電具體過程的認識還不能透徹明白,一般被認為和長間隙擊穿的現象相類似。

閃電的電流很大,其峰值一般能達到幾萬安培,但是其持續的時間很短,一般只有幾十微秒。所以閃電電流的能量不如想像的那麼巨大。不過雷電電流的功率很大,對建築物和其他設備尤其是電器設備的破壞十分巨大,所以需要安裝避雷針避雷器等以在一定程度上保護這些建築和設備的安全。

閃電類型[編輯]

雲間閃電
雲中放電下的閃電

按其在空氣中發生的部位,大概可分為中、雲間雲地之間三大種類放。雲中放電佔閃電的絕大多數,雲地之間放電者則是對人類的生產和生活產生影響的主要形式。

雲中放電[編輯]

雲中放電(英語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。

雲地之間放電[編輯]

閃電的能見度靠賴於能量的傳導
閃電
雲地間放電
雲地之間放電(英語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(英語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(英語negative stroke)及正雷電擊(英語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)。

雲間放電[編輯]

雲間放電是一種很少發生的閃電,它在二個或更多完全分離的積雨雲中放電。

球狀閃電[編輯]

球狀閃電(英語Ball Lightning)通常被形容做一個在空中漂浮的發光球體。它們移動速度不定,甚至可能出現靜止的狀態。有時候會發出噝噝的爆裂聲,甚至有些球狀閃電在穿過窗戶後爆裂開來消失了。有很多目擊者都描述了球狀閃電,但是奇怪的是,氣象學家很少記錄到它們。

日本人的研究顯示出多宗球狀閃電多會發生在無暴風雨及閃電的情況之下。

許多不在這個球狀閃電領域工作的科學家是不能體會到球狀閃電的領域特性是多麼廣泛的。典型的球狀閃電直徑通常被規範化為20-30厘米,但有報告記載了球狀閃電直徑可達數米以上(Singer)。一張最近的相片是由昆士蘭機動隊員Bret Porter所拍攝,相片中顯示了一個相信為球狀閃電的一個火球,估計直徑大約為100米。相片是刊出在科學雜誌「Transactions of the Royal Society」,標題為「一個有一條長而扭曲軌跡的發光球狀區域((英語a glowing globular zone (the breakdown zone?) with a long, twisting, rope-like projection(the funnel?))」。

高文(英語Coleman)是最早發表這個理論的科學家。在1993年,他在英國皇家氣象學會((英語Royal Meteorological Society)的出版刊物「Weather」中發表了這個理論。

球狀閃電是很難被人看見的。事實上,只有數次成功拍攝為照片的記錄。

聖艾爾摩之火英語St. Elmo's Fire)是被富蘭克林正式評定為自然界中的電力。這是與球狀閃電完全不同的。

珠狀閃電[編輯]

珠狀閃電(Bead Lightning),又稱「鏈狀閃電」(Chain Lighnting),一種長時間的閃電的形式,表現為一串發光段而不是連續的閃道。它很少發生,但被多次觀測到。其原因還不清楚,但提出的解釋有:部分閃道朝目擊者或離目擊者傾斜,因而顯得更加光亮;雨或雲使部分閃道變暗;截面半徑大的閃道比半徑小的冷卻要慢。

枝狀閃電[編輯]

常見的閃電多是分岔的枝條狀而非平直的線條狀,其中的奧妙人們卻不甚了解。荷蘭科學家最近解釋說,大氣放電過程中存在兩種氣體,因而放電時如同兩種不同黏度的液體混合,最終會產生分岔的枝條形狀。

來自荷蘭阿姆斯特丹CWI研究所的科學家曼努埃爾·艾里亞斯與同事介紹說,閃電中有兩種不同的媒介,即中性氣體和一個充斥著電離氣體的「通道」。在放電過程中,通道會在「最佳時間」形成一個理想導體,也就是說電流可以在其中無阻力的流動。在同一時刻,電離氣體和中性氣體原本存在的界限不穩定,兩種氣體「交融」,因而出現了分岔的枝條狀現象。科學家解釋說,這一現象類似兩種不同黏度的液體互相滲透出現的結果。

科學家還解釋說,大氣中的放電過程是否會出現分枝現象取決於電場的強度。如果電場強度大,即使陰極和陽極氣體之間只是相隔數毫米,也可能迅速形成「枝繁葉茂」的閃電現象。

正極閃電[編輯]

是一般閃電強度的10倍,曾製造過5宗空難,就連巨無霸噴氣式客機(波音747)也難逃厄運。

超級閃電[編輯]

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。

中高層大氣閃電[編輯]

一個紅電光閃靈

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[編輯]

閃電還會把范艾倫輻射帶英語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

紀錄及發生地點[編輯]

在地球上閃電頻率的一個比較古老估計是每秒鐘100次。現今人類可以用人造衛星查出閃電的頻率,包括觀察在沒有人煙居住的地方,可知的發生閃電紀錄是平均一秒鐘44 ± 5次,全年幾乎總共發生閃電次數為10.4億次的閃電。[1][2]這些閃電中有百分之七十五是雲間放電(雲對雲閃電),百分之二十五為雲地之間放電(雲對地閃電)。[3]

其它星球上的閃電[編輯]

因為閃電需要擊穿氣體,所以閃電不可能在真空的空間內出現。但在其他行星的大氣層內有偵測到過閃電,如金星木星。人們估計木星上的閃電比地球上的閃電強100倍左右,但是發生頻率只有地球上閃電的十五分之一。至於金星閃電的具體情況現在還在爭論中。在70年代到80年代中前蘇聯的金星號英語Venera)和美國的先驅者計劃英語Pioneer program)中,資料顯示在金星的上層大氣中發現了閃電,但是卡西尼—惠更斯號英語Cassini-Huygens)經過金星的時候卻沒有發現任何閃電的發生。

閃電成因[編輯]

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[編輯]

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(英語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[編輯]

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(英語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。

閃電的破壞[編輯]

被雷電擊中的樹木

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),很容易成為雷電擊中的目標。閃電破壞力很大,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,稱為雷擊死亡。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[編輯]

附註[編輯]

  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[編輯]

外部連結[編輯]