雷电

字体 2014-09-04 15:46:39
     来源: 中国天气网

简介

雷电是伴有闪电和雷鸣的一种雄伟壮观而又有点令人生畏的放电现象。雷电一般产生于对流发展旺盛的积雨云中,因此常伴有强烈的阵风和暴雨,有时还伴有冰雹和龙卷风。

雷电
雷电

积雨云顶部一般较高,可达20公里,云的上部常有冰晶。冰晶的凇附,水滴的破碎以及空气对流等过程,使云中产生电荷。云中电荷的分布较复杂,但总体而言,云的上部以正电荷为主,下部以负电荷为主。因此,云的上、下部之间形成一个电位差。当电位差达到一定程度后,就会产生放电,这就是我们常见的闪电现象。

闪电的的平均电流是3万安培,最大电流可达30万安培。闪电的电压很高,约为1亿至10亿伏特。一个中等强度雷暴的功率可达一千万瓦,相当于一座小型核电站的输出功率。放电过程中,由于闪电通道中温度骤增,使空气体积急剧膨胀,从而产生冲击波,导致强烈的雷鸣。

带有电荷的雷云与地面的突起物接近时,它们之间就发生激烈的放电。在雷电放电地点会出现强烈的闪光和爆炸的轰鸣声。人们见到和听到的闪电雷鸣是大气中的一种自然现象。

雷电种类

雷电分直击雷、电磁脉冲、球形雷、云闪四种。其中直击雷和球形雷都会对人和建筑造成危害,而电磁脉冲主要影响电子设备,主要是受感应作用所致;云闪由于是在两块云之间或一块云的两边发生,所以对人类危害最小。

直击雷就是在云体上聚集很多电荷,大量电荷要找到一个通道来泄放,有的时候是一个建筑物,有的时候是一个铁塔,有的时候是空旷地方的一个人,所以这些人或物体都变成电荷泄放的一个通道,就把人或者建筑物给击伤了。直击雷是威力最大的雷电,而球形雷的威力比直击雷小。

雷云形成

产生雷电的条件是雷雨云中有积累并形成极性。科学家们对雷雨云的带电机制及电荷有规律分布,进行了大量的观测和试验,积累了许多资料,并提出各种各样的解释,有些论点至今还有争论。

  对流云初始阶段的“离子流”假说

大气中存在这大量的正离子和负离子,在云中的雨滴上,电荷分布是不均匀的,最外边的分子带负电,里层的带正电,内层比外层的电势差约高0.25V。为了平衡这个电势差,水滴就必须优先吸收大气中的负离子,这就使水滴逐渐带上了负电荷。当对流发展开始时,较轻的正离子逐渐的被上升的气流带到云的上部;而带负电的云滴因为比较重,就留在了下部,造成了正负电荷的分离。

  冷云的电荷积累

当对流发展到一定阶段,云体伸入0℃层以上的高度后,云中就有了过冷水滴、霰粒和冰晶等。这种由不同相态的水汽凝结物组成且温度低于0℃的云,叫冷云。冷云的电荷形成和积累过程有如下几种:

①过冷水滴在霰粒上撞冻起电

在云层中有许多水滴在温度低于0℃时也不会冻结,这种水滴叫过冷水滴。过冷水滴是不稳定的,只要它们被轻轻地震动一下,就马上冻结称冰粒。当过冷水滴与霰粒碰撞时,会立即冻结,这叫撞冻。当发生撞冻时,过冷水滴外部立即冻成冰壳,但它的内部仍暂时保持着液态,并且由于外部冻结放的潜热传到内部,其内部液态过冷水的温度比外面的冰壳高。温度的差异使得冻结的过冷水滴外部带上正电,内部带上负电。当内部也发生冻结时,云滴就膨胀分裂,外表皮破裂成许多带正电的冰屑,随气流飞到云层上部,带负电的冻滴核心部分则附在较重的霰粒上,使霰粒带负电并留在云层的中下部。

②冰晶与霰粒的摩擦碰撞起电

霰粒是由冻结水滴组成的,成白色或乳白色,结构比较松脆。由于经常有冷水滴与它撞冻并释放潜热,它的温度一般比冰晶高。在冰晶中含有一定量的自由离子(OH-和H+),离子数随温度升高而增多。由于霰粒与冰晶接触部分存在着温度差,高温端的自由离子必然要多于低温端,因而离子必然从高温端向低温端迁移。离子迁移时,带正电的氢离子速度较快,而带负电的较重的氢氧根离子则较慢。因此,在一定时间内就出现了冷端氢离子过剩的现象,造成了高温端为负,低温端为正的电极化。当冰晶与霰粒接触后,又分离时,温度较高的霰粒就带上了负电,而温度较低的冰晶就带上了正电。在重力和上升气流的作用下,较轻的带正电的冰晶集中到云的上部,较重的带负电的霰粒则停留在云层的下部,因而造成了冷云的上部带正电而下部带负电。

③水滴因含有稀薄盐分而起电

出了上述冷云的两种起电机制外,还有人提出了由于大气中水滴含有稀薄盐分而产生起电机制。当云滴冻结时,冰的晶格中可以容纳负的氯离子,却排斥正的钠离子。因此,水滴冻结的部分带负电,而未冻结的部分带正电(水滴冻结时是从里向外进行的)。由于水滴冻结而成的霰粒在下落的过程中,摔掉表面还未来得及冻结的水分,形成许多带正电的小云滴,而冻结的核心部分则带负电。由于重力和气流的分选作用,电正点的小滴被带到云的上部,而带负电的霰粒则停留在云的中、下部。

  暖云的电荷积累

在热带地区,有一些云整个云体都位于0℃以上区域。因而只含有水滴而没有固态水粒子。这种云叫暖云或水云。暖云也会出现雷电现象。在中纬度地区的雷暴云,云体位于0℃等温线一下的部分,就是云的暖区。在云的暖区里也有起电过程发生。

在雷雨云的发展过程中,上述机制在不同的发展阶段分别起作用。但是,最主要的带电机制还是由于水滴冻结造成的。大量观测事实表明,只有当云顶呈现纤维状,丝缕结构时,云彩发展成为雷雨云。飞机观测发现,雷雨云中存在以冰、雪晶和霰粒为主的大量云粒子,而且大量电荷的积累即雷雨云迅猛带电机制,必须依靠霰粒生长过程的碰撞、撞冻和摩擦等才能发生。

闪电现象

暴风云通常产生电荷,底层为阴电,顶层为阳电,而且还在地面产生阳电荷,如影随形地跟着云移动。阳电荷和阴电荷彼此相吸,但空气却不是良好的传导体。阳电奔向树木、山丘、高大建筑物的顶端甚至人体之上,企图和带有阴电的云层相遇;阴电荷枝状的触角则向下伸展,越向下伸越接近地面。最后阴阳电荷终于克服空气的阻障而连接上。巨大的电流沿着一条传导气道从地面直向云涌去,产生出一道明亮夺目的闪光。一道闪电的长度可能只有数千米,但最长可达数百千米。

闪电的温度,从摄氏一万七千度至二万八千度不等,也就是等于太阳表面温度的3~5倍。闪电的极度高热使沿途空气剧烈膨胀。空气移动迅速,因此形成波浪并发出声音。闪电距离近,听到的就是尖锐的爆裂声;如果距离远,听到的则是隆隆声。你在看见闪电之后可以开动秒表,听到雷声后即把它按停,然后以3来除所得的秒数,即可大致知道闪电离你有几千米。

闪电的类型

闪电通常分为无声放电和闪电两类。闪电本身又可以分为片状闪电、线状闪电、链形闪电和球形闪电等。

最常出现的一种无声放电是被叫做“爱尔马圣火”的。由于暴风雨等原因,大气中的电场强度大大地增长起来,在地球表面的突出物体附近,电场强度很容易达到30kV/cm的强度,导致在突出部分发生静寂放电。这是一种并非雷云与大地间放电和没有雷声的闪光现象,实际上就是尖端电晕放电。放电时,突出物周围会呈冒烟状或光膜状的放电现象。当电场强度很强时,就会形成单独束状放电,由物体周围放射出来。这种放电现象对电讯系统有干扰。

片状闪电 是出现在云的表面上的闪光,它有时可能是被云块遮没的火花闪电的延光,也可能是在云的上部发出来的丛集的、若隐若现的一种特殊的放电作用的光。这种闪电,表示云中电场的能量虽然已经足够产生放电作用,但是新加入的电量却太少,以致在闪烁放电尚未转变到火花(线状)放电以前,原有的储电量已经用完了。仅仅伴随有片状闪电的雷暴是属于弱的一类,对电力系统一般只会引进不大的感应过电压。

线状闪电 一般都是一种蜿蜒曲折枝义纵横的巨型电气火花,长2-3公里,也有长达10公里的,是闪电中最强烈的一种,对电力、电讯系统及人畜和建筑物等威胁最大。当雷云与大地间或雷云相互间的电场强度由于游离电荷的逐渐累积而增长到足以使空气绝缘破坏的强度(最高时可达100kV/m)时,就会产生种强烈的放电现象,在放电的瞬间具有极大的能量,电压可以积累到1,000-100,000kV以上,放电电流可高达数十万安培,而放电时间只不过千分之几秒。线状闪电大多是雷云与大地间的放电,但也有的是雷云之间的放电。这种闪电可以同时击在不同的地方,一般分为前导放电和主放电等阶段。在大多数情况下(约50-70%以上),雷云与大地间的放电过程不是单一的而是多重的,也就是说由若干个先后在同一通道上发展的单一的放电所组成。重复放电的数目一般为1-27次,单次放电的延续时间一般为0.001~0.02秒,各次放电的间隔时间为0.01~0.05秒。

链形闪电 比较罕见,是一条发光的虚线,像一条链子一样,在云与大地间放电或云与云间放电时均可能出现。似乎是介于线状闪电与球形闪电之间的一种过渡形式。

球形闪电 是最奇妙、最罕见和最神秘莫测的一种闪电,由拳头般大小到足球那样大的球形发光体所组成,活动速度不大,可以看到移动,它走的路径极不规则,往往与风向一致,它出现时,常有尖哨声或嗡嗡声,有时会安然地消失,但有时也会发生可怖的爆炸。它消失时,往往留下具有刺激性的轻烟雾。球形闪电存在的时间可由几秒到几分钟,它能在一个地方停留一些时候,一面冒烟,一面发出火花,目前,国际上对于球形闪电也还没有很完善的解释,科学家们仍在研究中。

闪电除了是一种明亮的电气火花以外,同时还伴有强大的响声,这就是雷声。

雷声的大小与闪电的强弱相应,雷不仅仅是由于空气在温度高达18000℃左右的闪电渠道中因突然而强烈的受热和随之而起的急速冷却,致空气因急速膨胀和压缩的振动而发生的响声;同时雷也是水和空气在高电压(火花)的作用下分解所产生的瓦斯爆炸时发出的声音。由于爆炸波的特性、多次放电和声音来回反射等关系,雷声隆隆不绝。云间放电时,雷声延续的时间比云与大地间放电的时间短。一般一次闪电的雷声平均延续时间约30-40秒,在个别场合下可达到1分钟。

袭击的时间

每时每刻世界各地大约正有1800个雷电交作在进行中。它们每秒钟约发出600次闪电,其中有100次袭击地球。

乌干达首都坎帕拉和印尼的爪哇岛,是最易受到闪电袭击的地方。据统计,爪哇岛有一年竟有300天发生闪电。而历史上最猛烈的闪电,则是1975年袭击津巴布韦乡村乌姆塔里附近一幢小屋的那一次,当时死了21个人。

雷电发生的频率与特性

在任何给定时刻,世界上都有1800场雷雨正在发生,每秒大约有100次雷击。在美国,雷电每年会造成大约150人死亡和250人受伤。全世界每年有4000多人惨遭雷击。在雷电发生频率呈现平均水平的平坦地形上,每座300英尺高的建筑物平均每年会被击中一次。每座1200英尺的建筑物,比如广播或者电视塔,每年会被击中20次,每次雷击通常会产生6亿伏的高压。

每个从云层到地面的闪电实际上包含了在60毫秒间隔内发生的3到5次独立的雷击,第一次雷击的峰值电流大约为2万安培,后续雷击的峰值电流减半。最后一次雷击之后,可能会有大约150安培的连续电流,持续时间达100毫秒。

经测量,这些雷击的上升时间大约为200纳秒或者更快。通过2万安培和200纳秒,不难计算得到dI/dt的值是每秒10^11安培。

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