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[自然科学] 狂暴大地 - 闪电
闪电的起因:

1. 雷暴形成

在温暖而潮湿的夏季日子里,地表白天受热,而地面吸收了热量后又不停把热量再辐射出去。正午后太阳辐射能开始减弱,而地面吸收的热量却达到了最大值。当地面辐射更多热量时,气块就更易上升,若气块的温度在它上升中仍能较上面的环境空气温度高,及不稳定就会出现。如果地表加热空气的条件维持,气块不断上升形成上升气流,此时若气块含有水气的话,雷暴的积云阶段就开始了。

上升的气块构成了雷暴的基点—雷暴细胞。当气块继续向上移动,气柱引起了近地面气压的不平衡,这种不平衡把更多空气吸收到系统中来加强雷暴细胞。

闪电和雷声是雷暴的象征。在夏季的傍晚,人们常听到和看到这种远处的雷暴景象。


2. 云内闪电(in-cloud lightning)

在0℃层以上,即空气温度下降到冰点的高度以上,云内的液态水变成冰晶和过冷却水滴(达0℃却来不及凝结就落下的水滴)。由于空气的密度不同,造成了空气对流,在这些水滴或冰晶摩擦碰撞的过程中产生电荷。如云内出现两个足够强的相反电位,带正电的区域就会向带负电的区域放电,结果就产生了云内闪电(in-cloud lightning)或云间闪电(cloud-to-cloud lightnung)。风暴细胞内8成的放电过程属于这种类型。


3. 云对地闪电(cloud-to-ground lightning)

这是最广为研究的类型,主要是因为它们对人们的生命财产有极大的威胁性。

在一次正常的闪电前,云里的电荷分布是这样的:在底部是较少的正电荷,在中下是较多的负电荷,在上部是较多的正电荷。闪电由底部和中下部的放电开始。电子从上往下移动,这一放电由上向下呈阶梯状进行,每级阶梯的长度约为50米。两级阶梯间约有50微秒的时间间隔。每下一级,就把云里的负电荷往下移动一级,这称为阶梯先导(stepped leader),平均速率为1.5×105公尺/秒,约为光速的两千分之一,半径约在1到10公尺,将传递约五库仑的电量至地面。当阶梯先导很接近地面时,就像接通了一根导线,强大的电流以极快的速度由地面沿着阶梯先导流至云层,这一个过程称为回击,约需70微秒的时间,约为光速的三分之一至十分之一。典型的回击电流强度约为一至两万安培。如果云层带有足够的电量,又会开始第二次的阶梯先导。

一个阶梯先导加上一个回击称为”一击”(a stroke),三到四个”一击”组合成一个闪光(flash),而一个闪电又是由多个闪光所组成。

雷击又分为负雷击(negative stroke)及正雷击(positive stroke),也就是由云层往地面传下来的是正电荷。正雷击的发生机率比负雷击小,但携带的电量会比负雷击大,曾测量到的最大值为300库仑。正雷击通常只有一击,有第二击的正雷击相当少见(因为云层内靠近地面的正电荷较少)。


4. 地对云闪电

除了有云层到地面的闪电之外,也有由地面到云层的闪电。由地面到云层的闪电,它们的阶梯先导由地面延伸至云端,可携带正电荷或负电荷,两种电性的先导都曾被观测到。然而这样的闪电并不常见,它们通常都是由高的建筑物顶端往云层放电,而且特别的是,它们通常没有回击,并且只有一击。除此之外,地面对云层的闪电偶尔会与向下进行的正闪电连结。



闪电与雷声:

一次闪电是由多次的放电组成的,每次的回击的通路温度可高达30000℃,比太阳表面的温度6000℃更高许多倍,由于温度这么高,所以 通路附近的气体就发生爆发性膨胀,造成强烈声波,这就是雷声。当阶梯先导与回击相遇时,就会产生非常亮的光。这一强电流高亮度的区域沿着闪电通路上行至云端,但观察者对这一迅速的过程却察觉不出来,他只能看到一条均匀发亮的线。光线从闪电通路中心产生,其宽度可能不超过几厘米。


*为什么有时候我们看到的闪电只是一闪而过,而听到的雷声却是隆隆不绝,响好久才停呢?

这是因为天空里的闪电,一般都是很长的,有的线行闪电长达二至三公里,甚至十公里。由于闪电的各部分跟我们的距离不同,所以雷声传到我们耳边的时间就有先有后了。另外一方面,一次闪电往往包含数个回击,那么当第一次回击时的雷声还没有断绝,又传来了第二次第三次的雷声,先后的雷声混在一起,就成了隆隆不断的雷声。

还有,当雷声遇到地面,建筑物,高山或天空的云层时,都会发生反射,产生回声。这些回声传到我们耳朵里的时间也是不一致的,因此就形成了隆隆的雷声。


* 一次闪电的光能持续多久?

在大雷雨的晚上,街道上一片漆黑,几乎看不清一切事物。但是在闪电的一刹那,我们却能够在这极短促的时间里,看到街道上奇怪的景致:街道上原来正在活动着的东西,一下子都变成凝结了似的,行人士一只脚踏着地,一只脚临空举在那里不动,行驶的车辆也像停在那里一样……

产生这种现象的原因,是因为闪电的持续时间非常短促,在这短暂的时间里,物体位置的移动使人眼睛很难观察出来,所以熙熙攘攘的街道,在闪电的光之下,似乎变得完全不动了。

那么闪电的光能持续多久呢?

它的一闪的时间很难用普通方法测量出来,因为每一次闪光所持续的时间,常常比万分之一秒还要短,最长的也不会超过千分之一秒(1微秒),这速度是非常惊人的。

我们一般拍照时,照相机快门的速度是五十分之一秒,百分之一秒或一百五十分之一秒,拍正在运动的动作是一百五十分之一秒,二百五十分之一秒或五百分之一秒的快门,就是拍摄高速飞行的喷射机,用千分之一秒的快镜也就可以了。所以,再这极短的时间里,即使是迅速奔驰着的汽车,它的车轮上的每一个花纹也只移动几万分之一公分,这样的运动,在人眼里当然跟静止的没有分别了。


*为什么雷容易打中孤立高耸的物体?

由于雷雨云的云底有带电,能使地面发生感应,并使地面产生与云底的电性不同的电荷。这称为「感应电荷」。

这种感应电荷在小范围的地面上是同一性质的,例如都是正电,或者都是负电。同一种性质的电荷是互相排斥的。排斥的结果,就使得电荷在地面上重新分布,这种排斥力沿地面方向的分力,在弯曲得较厉害的地方要比平坦一些的地面来得小,所以,电荷就必定会移到地面弯曲得厉害的地方去。这样一来,在弯曲得厉害的地面上,感应电荷就要多一些,密一些了。

高耸的物体,他本身也会成为地面的组成部分,由于他高耸在平地上,所以他就成为地面上最弯曲的一部分,因此当地面受到雷雨云的感应而产生感应电荷时,在高耸的物体上,就会集中了较多的电荷。

由于高耸的物体所带的感应电荷比地面多,对闪电的吸引能力大,所以能很容易的将闪电拉过来。

所以在大雷雨时,我们千万不要躲在高耸的物体,如旗杆,高树,塔尖,烟囱,电线杆下面躲避。因为那里是闪电的通道。

由于高耸物体容易遭到雷击,所以在高大的建筑物上一般都安装避雷针,使建筑物免遭雷击。避雷针是一个顶部高出建筑物,下部与地面相接的金属杆,它能够吸引附近的闪电到自己身上来,将自己作为闪电的通道,使闪电通过自身而排到地面上去。这样,原先要击中建筑物的闪电,中途拐了弯,通过避雷针,就不会损坏建筑物了。


* 为什么总是先看到闪电,后听到雷声?

这是因为光的传播速度要比声音的传播速度快得多。光在空气里差不多每秒钟能走三十万公里,用这样的速度,一秒钟可以为绕地球的赤道跑七圈半。声音在空气中每秒约走三百五十公尺,差不多只有光速的九十万分之一。光从闪电发生处传到地面的时间,一般不过几十万分之一秒,可是声音跑同样的距离就需要较长时间。根据这个原理,我们可以利用从看见闪电到听见雷声相隔的时间,算出闪电距离我们大概多远。


* 为什么有闪电却听不到雷声呢?

有时候,一道闪电划破夜空,照亮云际。但是,奇怪的是,之后却听不道雷声。这又是为什么呢?

这并非是因为闪电距离太远,而是声音传导的方式有异的现象。

音速随空气温度之变化而不同,由低温处射入高温处之音波,再靠近其界面时会产生折射。如果射角太大,音波会完全反射而不会折射。相反的,由高温处射入低温处时,音波会从界面折射远去。

如果空气中的温度连续变化的话,音波的射线也随之连续改变形成曲线。

晴天的中午,太阳直射,地面暖和,靠近地面的空气温度高,愈至高空温度越低。所以,由地面音源来的音波远升高空时斜斜前进。登上高岗,往往听得见下方传来的声音,就是这个缘故。相反的,夜间由于地面较快冷下来,下层空气之温度变低,相同音源来的音波在靠近地面处斜斜前进。因此,音波沿地面聚集,而在夜间声音听得较远。

在高空发生的雷鸣之所以听不见,就像前述的与大气中的温度变化有关。平常,一到夜晚,地面经常是先冷下来。但气象状况有异时,高空的温度下降,而地面却留着白天的余温。此时,高空发生的雷鸣虽向地面前进,但路线却逐渐向上方折射弯曲,至某处终于转向上方而去。因此,在地面的人们就听不到雷声了。


* 闪电为什么能劈开树木?

闪电内部的温度可高达3×104℃。闪电劈中树木时,因树木中含有水分,强电流立即把水分化为高温高压的蒸气,蒸气的强大爆发力就能把树木劈开。


* 雷雨后为什么空气格外新鲜?

夏天的傍晚,有时乌云,大雨,闪电,雷鸣往往相互交错,一起降临。雨后,我们会感到空气格外新鲜,这是什么原因呢?原来在闪电时,发生了一场化学变化,空气中的氧气有些变成了臭氧。其次是经过了一场倾盆大雨,把空气中大部分的灰尘给冲掉了。

雷声是云中,或云对地,或地对云之间正负电荷间的放电作用时所产生的声音。放电时的电位差,往往达到每公尺几千到几万伏特,所以常常产生巨大的电火花,把空气中的氧气激发成臭氧。浓的臭氧是淡蓝色的,味道很臭,具有很强的氧化能力,还能够漂白与杀菌。稀薄的臭氧可一点也不臭。反而会给人清新的感觉。雷雨后,空气中就弥漫着少量的臭氧,能够净化空气,使空气清新。


* 闪电可以为人们服务吗?

提起闪电,人们大概立刻就会联想到那炫目的闪光和震耳的雷声。的确,许多年来,由于闪电对人畜和建筑物的危害,人们总是千方百计的善避雷设备,力求避免和闪电接触。

其实闪电对农业生产和人类的日常生活关系可大着呢!随着科学的发展,今天,利用闪电为人类服务的问题,已经被重视和研究。也许,再过不了多少年,我们也将如同广泛使用避雷针一样,可以设法用某种特殊设备,把天空的闪电,尽可能的多导引到地面上来应用呢!

闪电在发出闪光的瞬间,它的电力竟然比世界上最大,美国核子水力发电厂还要大上一百倍左右。如果利用这个电力来起重的话,足够把六七万公斤重的货物,举起一两公尺这么高。

不但这样,闪电还是一个不用人工的天然氮肥制造厂。根据计算,每打一次雷,大约总有一吨到两吨的氮化合物会随着雨滴落到地面。这当然会有效的增加土壤的肥沃度。这样的量,几乎相等于一个小型化工厂一天的产量。

除了这些以外,闪电还会使天空中有「臭氧」出现。这种气体具有大量吸收紫外线的功能,使人们不致因为阳光中过量的紫外线的照射而影响健康。


* 球形闪电

物理学上最有争议的一个问题是,球形闪电是否存在。很多人看到过球形闪电(约占总人口的5﹪),并发表了不少有关它的报告。但是人们总是把它看成是传说中的东西,或者是非常明亮的闪电的视觉现象。据说球形闪电会像一个光球,安静的悬浮在空气中,或者在房间里到处跳动好几秒。它们不论什么类型的房间都进入过,甚至进入过飞机的座舱,也会出现在旷野。它们出现时大多是无声无息的,但它们消失时却会有爆炸声。它们能置人于死地,据说有的科学家在作雷电试验时被球形闪电击毙。世间真有情形闪电存在吗?它是否是一种幻觉?

球形闪电的成因现在仍在研究中,目前最可信的解释是:球形闪电是一个等离子球,它的能量是从外部电磁场取得的。雷电或这电荷会使空气,水蒸气或其他气体电离。这些电离了的气体能保持一团,因为它从总体来说是中性的。它能吸收自然界中无线电波的能量,这些无线电波是雷爆时在地面上或云层里产生的。在球的周围会形成驻波,球就能从它吸收能量。这种外部能源的存在是颇为可信的,否则球形闪电在长时间内保持一定的高度就很难解释了。内部能源连维持这种亮度几秒钟,是很不可思议的。


* 地震时的闪电

地震能引起闪电吗?有人认为晴空闪电是地震的先兆。这两种自然现象有什么联系?

地震时会产生闪电的原因还不清楚。最近有人认为,这一现象与压电场有关,这一压电场是地震波通过地表时所产生的(在压力作用下,有些材料会产生一个电场)。也许这些电场足够大,引起大气对地表放电。然而这种解释还缺少细节的说明和证明。


* 飞机遭雷击?

飞机在云层与云层之间,或起飞着陆时,都有可能遭到雷击。发生雷击的高度以五公里以下为最多。经统计喷射机平均每飞一万小时,就会遭遇一次雷击。

当分机遭遇雷击时,电流可能从雷云打到飞机头部,纵向流过机身外壳,最后从机尾凌空打到地上。也可能从其中一机翼打过另外一机翼,横向流过机身。

一般以金属类之导体围住的物体,其内部不受外部电场之影响,而闪电的电流频率极高,流至金属时,不会进入当中,仅在金属的表面流过。一般频率高的电流只会流过金属的表面,这种特性称为「表面效应」(skin effect),故闪电只沿着飞机外壳流过,而不会进入机内对乘客造成伤害。但强电流所形成的磁场,对机上的电子或电气系统会有影响。

为了减少飞机被雷击的机会及危害,可采用许多从机身或机翼伸出的避雷针以放电。又采用良导体把机壳不良导体部分,加以连接或遮盖,以疏导电流。


* 汽车遭雷击?

金属是店的良导体,而汽车整体之大部分都是金属作成的。同时,有些金属是落在外面的,这么一来,雷落在汽车上并非不可思议了。但是却未发生过乘客因而死亡的事情。

这是为什么呢?事实上,雷并非不会落在汽车上,如果条件充分的话,雷也会落在车上的。汽车在街上行驶的话,因周围的建筑物很高,雷会落在高的建筑物,但是在周围没有高建筑物的原野或山上,汽车就很有可能遭雷击。

那么,遭雷击时,里面的乘客安全吗?高压且大量的电流打下来,不会使人触电死亡吗?

置于电场中的导体有如下之性质:

「以金属版或铁丝网等导体围成的容器置于电场内,容器之内部空间无电场。」

这种现象就叫做电屏(electric screening)。

依据导体这种性质,被金属板包围的汽车内部空间里,当雷击中时,并不形成电场。

因而,汽车即使遭到雷击,内部的电场为零,电流不流到内部而通过导体之表面传到地上去。而且,车体全体是相同电位,即使雷电达一百万伏特之高电位,车内的人仍是安全的。


* 打雷和暴雨

以许你会注意到,在打雷以后雨会下得特别大。暴雨与雷电有什么关系?或只是一种巧合?

有时候,水滴部分的被电场力保持在云朵里。打雷以后,这些电场消失了,这样就增加了下降的雨滴数量。如果电场重新加强,雨又会减小。


* 遭雷击而不死

有许多人直接或间接被雷击而不死。甚至有的人被雷击,停止呼吸20分钟后仍能完全恢复,他的大脑也没有因为雷击或缺氧而受到不可逆转的损害。有人猜想,这种休克能暂时减少脑部所需的氧气。当然,这些受雷击的人没有严重的烧伤,心脏也没有停止跳动。为什么会出现这种现象?

当电流通过人体时,人会因内脏受伤而死亡,但当人体潮湿时,电流可能不穿透他的身体,大部分只经过他潮湿的皮肤流向地面。这时呼吸和心跳可能中断。经过即时的人工呼吸抢救,人就能很快活过来。很多情况下,受难者不是被雷直接击中的,而是被雷电的一个分枝所击中或是被地上的电流所伤害。

当电流通过人体,所引起的后果大致如下:

1.1 ~ 3.5毫安:对电流有感觉,但无明显致病现象。

3.6 ~ 4.5毫安:不习惯的人有疼痛感觉。

6 ~ 7毫安:手臂有疼痛感,手臂肌肉轻微痉挛。

8 ~ 10 毫安:明显疼痛感,手臂肌肉痉挛性收缩,手难以摆脱电源。

11 ~ 12 毫安: 剧烈疼痛,手臂痉挛收缩,与电流接触的耐受时间不超过三十秒。

13 ~ 17 毫安:剧烈疼痛,不能自己松开手,不能抛开电极。

20 ~ 30 毫安:动脉血压升高,手不能摆脱电源,有时致死。

50 ~ 70 毫安:呼吸麻痹,心室纤颤。

90 ~ 100毫安:呼吸麻痹,心室纤颤后心室停搏。

心室纤颤会使血液循环停止,从而造成死亡。如果只受了一下短促的电击则还有救活的可能。流过触电者身上的电流强度主要是由皮肤的电阻决定,皮肤的干湿,人体的功能状态(如疲劳,受热,着凉,创伤等),电流通路(流过心脏或脑最危险)都对电阻值有影响。湿皮肤的电阻约为1000欧姆,干皮肤的电阻约为500千欧姆。体内的组织和器官其电阻要小得多,约为100至500欧姆之间。触及的电压低,人体电阻值较大;电压高,则电阻值明显下降。

********************************

后   记

这篇物理报告的灵感是来自翻阅期刊时偶然看到的一篇论文,不过这篇论文比较偏理论一点,所以当初看的时候半懂半不懂。后来又找到了几本有谈到闪电的物理书籍,但是里面又讲得太浅了,许多东西都简化掉了,所以我从期刊论文里面取了一些内容出来,经过简化之后,才成为真正解释一些问题的答案。

一直觉得闪电是很美丽,却又危险的东西。也曾在Discovery看过以闪电为主题的节目,里面有介绍专职的”闪电摄影师”,他们能使用探测电场的仪器来观察哪里有雷云,然后就冒着生命危险去拍摄,其实待在车内是最安全的,但是他们要到车外拿摄影机拍摄闪电,不过雷云移动的速度其实很快,所以他们常常要拍了就马上跑。也有介绍效法富兰克林,以小火箭将雷电导引到地面上来作研究的人,美国有时候不需要雷云,也不一定会下雨,还是可以诱发闪电产生。

还有模拟闪电打到汽车时的实验,他们用几百万伏特的电压击到一台车上,车内放置假人,假人身上装有探测电流的仪器。几百万伏特的电是相当惊人的!不仅发出耀眼的光芒,还有巨大的音爆声,但是实验证明,电流无论如何都不会流经人体,所以打雷时,待在车子里面是很安全的!

闪电的能量相当高,如果能拿来利用,想必又是一项天然的能源。但是事实上,闪电的发生相当难以预测及控制,现在连作实验研究,都得等待闪电出现的机会,所以虽然早从18世纪富兰克林导引闪电成功以来,即使花了许多时间研究,仍然没有有效利用闪电的方法,的确是相当可惜的。



献花 x0 回到顶端 [楼 主] From:台湾中华电信 | Posted:2005-10-31 20:46 |
chiayuan
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讲得很好,不错的基本常识,改天不会被唬的,谢谢哦


献花 x0 回到顶端 [1 楼] From:台湾亚太线上 | Posted:2005-11-02 22:57 |

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