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闪电

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闪电
闪电

闪电,一般是专指对流层大气放电,是静电放电现象的一种。当空气作为一种介质时,空气中的各种微粒互相碰撞和摩擦便会使该空气介质两面的正负电荷的量持续积累,这时加于该空气介质的电压也会同时增加,当局部电压达到当时条件下空气的击穿电压时,该空气介质的局部便会发生电击穿而持续成为等离子体,使电流能够通过原来绝缘的空气。这时通过空气的电流也会将空气急剧加热,使空气膨胀而产生雷声[1]

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。由于持续时间短,闪电输送的能量相对不大,不过闪电的功率却可以很大。在夏季的潮湿的天气下,丰富的水分子会令该空气介质所要求的击穿电压降低,因此较易发生闪电,而冬季下雪时也是同一情况。概括而言,当某介质的击穿电压因该介质的性质改变而下降,便有较大机会发生放电现象。

发生因素

当上升气流将小水滴抬升,使它们产生过冷至摄氏-10度到-20度。这些过冷的小水珠会和冰晶相碰撞产生柔软的冰水混合物—软雹,这些碰撞会使冰晶带有正电、软雹带有负电。此时上升气流会继续将较轻的冰晶(带正电)抬升,软雹则因较重而落至云的中下层,进而造成云层上半部带正电,下半部带负电的电荷分离现象。此电荷分离过程使云间的电位差不断增加,直到足以释放而形成闪电。掉落中的冰晶和小水珠通过地球的自然电场会产生电极化的现象。碰撞中的冰粒会因静电感应而带电。

类型

云间闪电
云间闪电
云中放电下的闪电
云中放电下的闪电

按其在空气中发生的部位,大概可分为中、云间或云地之间三大种类放。云中放电占闪电的绝大多数,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。

云中放电,在0℃层以上,即空气温度下降到冰点的高度以上,云内的液态变成晶和过冷却水滴(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或云间闪电。风暴内八成的放电过程属于这种类型。

云地之间放电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,平均速率为1.5×105米/秒,约为光速的两千分之一,半径约在1到10米,将传递约五库仑电量至地面。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。

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

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球状闪电,但是奇怪的是,气象学家很少记录到它们。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。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。圣艾尔摩之火是被富兰克林正式评定为自然界中的电力。这是与球状闪电完全不同的。

珠状闪电又称“链状闪电”,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,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。

闪电还会把范艾伦辐射带清出安全狭槽,所以一般卫星都飞在此区,比较不受放射线破坏。而有科学家认为闪电一般只有百万伏特,是不能穿过大气(绝缘体),但科学家发现宇宙射线会破坏大气分子产生X射线外,还会让大气变得较易导电,所以闪电发生和宇宙射线也有关。

纪录

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。[2][3]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)。[4]

因为闪电需要介质,所以闪电不可能在真空内出现。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和美国的先驱者计划中,资料显示在金星的上层大气中发现了闪电,但是卡西尼—惠更斯号经过金星的时候却没有发现任何闪电的发生。

影响

一般农夫只身在空旷地下田,就具有尖端放电的效果(避雷针就是运用此一的原理,并且做到接地的功能),很容易成为雷电击中的目标。闪电破坏力很大,若击中人体,身上的水分会瞬间蒸发,并可扰乱人的心跳而致人于死地,也会使人烧焦,称为雷殛。就算因为身上金属饰品的诱导而没有被正面击中,也可以把电力透过地面传送到人体,死亡率为10%~30%。若在森林发生,有可能造成森林大火,而若在没有保护措施的情况下,电器用品被击中时可能会发生爆炸或是跳电等情形。飞机虽然因为金属外皮的导电性,可免于电流流入内部,但若过于强大会有可能影响仪器的使用而导致问题发生

而闪电擦过绝缘体或高电阻物品时,会产生热效应,形成大量热,燃烧该物品。

参考

附注

  1. ^ 雷电知识:雷声是怎么产生的?
  2. ^ John E. Oliver. Encyclopedia of World Climatology. National Oceanic and Atmospheric Administration. 2005 [February 8, 2009]. ISBN 9781402032646. 
  3. ^ Annual Lightning Flash Rate. National Oceanic and Atmospheric Administration. [February 8, 2009]. (原始内容存档于三月 30, 2008). 
  4. ^ Where LightningStrikes. NASA Science. Science News. December 5, 2001 [July 5, 2010]. 

参见

外部链接

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