簡介

雷電是伴有閃電和雷鳴的一種雄偉壯觀而又有點令人生畏的放電現(xiàn)象。雷電一般產(chǎn)生于對流發(fā)展旺盛的積雨云中，因此常伴有強烈的陣風和暴雨，有時還伴有冰雹和龍卷風。

雷電
雷電

積雨云頂部一般較高，可達20公里，云的上部常有冰晶。冰晶的凇附，水滴的破碎以及空氣對流等過程，使云中產(chǎn)生電荷。云中電荷的分布較復雜，但總體而言，云的上部以正電荷為主，下部以負電荷為主。因此，云的上、下部之間形成一個電位差。當電位差達到一定程度后，就會產(chǎn)生放電，這就是我們常見的閃電現(xiàn)象。

閃電的的平均電流是3萬安培，最大電流可達30萬安培。閃電的電壓很高，約為1億至10億伏特。一個中等強度雷暴的功率可達一千萬瓦，相當于一座小型核電站的輸出功率。放電過程中，由于閃電通道中溫度驟增，使空氣體積急劇膨脹，從而產(chǎn)生沖擊波，導致強烈的雷鳴。

帶有電荷的雷云與地面的突起物接近時，它們之間就發(fā)生激烈的放電。在雷電放電地點會出現(xiàn)強烈的閃光和爆炸的轟鳴聲。人們見到和聽到的閃電雷鳴是大氣中的一種自然現(xiàn)象。

雷電種類

雷電分直擊雷、電磁脈沖、球形雷、云閃四種。其中直擊雷和球形雷都會對人和建筑造成危害，而電磁脈沖主要影響電子設備，主要是受感應作用所致；云閃由于是在兩塊云之間或一塊云的兩邊發(fā)生，所以對人類危害最小。

直擊雷就是在云體上聚集很多電荷，大量電荷要找到一個通道來泄放，有的時候是一個建筑物，有的時候是一個鐵塔，有的時候是空曠地方的一個人，所以這些人或物體都變成電荷泄放的一個通道，就把人或者建筑物給擊傷了。直擊雷是威力最大的雷電，而球形雷的威力比直擊雷小。

雷云形成

產(chǎn)生雷電的條件是雷雨云中有積累并形成極性?？茖W家們對雷雨云的帶電機制及電荷有規(guī)律分布，進行了大量的觀測和試驗，積累了許多資料，并提出各種各樣的解釋，有些論點至今還有爭論。

  對流云初始階段的“離子流”假說

大氣中存在這大量的正離子和負離子，在云中的雨滴上，電荷分布是不均勻的，最外邊的分子帶負電，里層的帶正電，內(nèi)層比外層的電勢差約高0.25V。為了平衡這個電勢差，水滴就必須優(yōu)先吸收大氣中的負離子，這就使水滴逐漸帶上了負電荷。當對流發(fā)展開始時，較輕的正離子逐漸的被上升的氣流帶到云的上部；而帶負電的云滴因為比較重，就留在了下部，造成了正負電荷的分離。

  冷云的電荷積累

當對流發(fā)展到一定階段，云體伸入0℃層以上的高度后，云中就有了過冷水滴、霰粒和冰晶等。這種由不同相態(tài)的水汽凝結物組成且溫度低于0℃的云，叫冷云。冷云的電荷形成和積累過程有如下幾種：

①過冷水滴在霰粒上撞凍起電

在云層中有許多水滴在溫度低于0℃時也不會凍結，這種水滴叫過冷水滴。過冷水滴是不穩(wěn)定的，只要它們被輕輕地震動一下，就馬上凍結稱冰粒。當過冷水滴與霰粒碰撞時，會立即凍結，這叫撞凍。當發(fā)生撞凍時，過冷水滴外部立即凍成冰殼，但它的內(nèi)部仍暫時保持著液態(tài)，并且由于外部凍結放的潛熱傳到內(nèi)部，其內(nèi)部液態(tài)過冷水的溫度比外面的冰殼高。溫度的差異使得凍結的過冷水滴外部帶上正電，內(nèi)部帶上負電。當內(nèi)部也發(fā)生凍結時，云滴就膨脹分裂，外表皮破裂成許多帶正電的冰屑，隨氣流飛到云層上部，帶負電的凍滴核心部分則附在較重的霰粒上，使霰粒帶負電并留在云層的中下部。

②冰晶與霰粒的摩擦碰撞起電

霰粒是由凍結水滴組成的，成白色或乳白色，結構比較松脆。由于經(jīng)常有冷水滴與它撞凍并釋放潛熱，它的溫度一般比冰晶高。在冰晶中含有一定量的自由離子（OH-和H+），離子數(shù)隨溫度升高而增多。由于霰粒與冰晶接觸部分存在著溫度差，高溫端的自由離子必然要多于低溫端，因而離子必然從高溫端向低溫端遷移。離子遷移時，帶正電的氫離子速度較快，而帶負電的較重的氫氧根離子則較慢。因此，在一定時間內(nèi)就出現(xiàn)了冷端氫離子過剩的現(xiàn)象，造成了高溫端為負，低溫端為正的電極化。當冰晶與霰粒接觸后，又分離時，溫度較高的霰粒就帶上了負電，而溫度較低的冰晶就帶上了正電。在重力和上升氣流的作用下，較輕的帶正電的冰晶集中到云的上部，較重的帶負電的霰粒則停留在云層的下部，因而造成了冷云的上部帶正電而下部帶負電。

③水滴因含有稀薄鹽分而起電

出了上述冷云的兩種起電機制外，還有人提出了由于大氣中水滴含有稀薄鹽分而產(chǎn)生起電機制。當云滴凍結時，冰的晶格中可以容納負的氯離子，卻排斥正的鈉離子。因此，水滴凍結的部分帶負電，而未凍結的部分帶正電(水滴凍結時是從里向外進行的)。由于水滴凍結而成的霰粒在下落的過程中，摔掉表面還未來得及凍結的水分，形成許多帶正電的小云滴，而凍結的核心部分則帶負電。由于重力和氣流的分選作用，電正點的小滴被帶到云的上部，而帶負電的霰粒則停留在云的中、下部。

  暖云的電荷積累

在熱帶地區(qū)，有一些云整個云體都位于0℃以上區(qū)域。因而只含有水滴而沒有固態(tài)水粒子。這種云叫暖云或水云。暖云也會出現(xiàn)雷電現(xiàn)象。在中緯度地區(qū)的雷暴云，云體位于0℃等溫線一下的部分，就是云的暖區(qū)。在云的暖區(qū)里也有起電過程發(fā)生。

在雷雨云的發(fā)展過程中，上述機制在不同的發(fā)展階段分別起作用。但是，最主要的帶電機制還是由于水滴凍結造成的。大量觀測事實表明，只有當云頂呈現(xiàn)纖維狀，絲縷結構時，云彩發(fā)展成為雷雨云。飛機觀測發(fā)現(xiàn)，雷雨云中存在以冰、雪晶和霰粒為主的大量云粒子，而且大量電荷的積累即雷雨云迅猛帶電機制，必須依靠霰粒生長過程的碰撞、撞凍和摩擦等才能發(fā)生。

閃電現(xiàn)象

暴風云通常產(chǎn)生電荷，底層為陰電，頂層為陽電，而且還在地面產(chǎn)生陽電荷，如影隨形地跟著云移動。陽電荷和陰電荷彼此相吸，但空氣卻不是良好的傳導體。陽電奔向樹木、山丘、高大建筑物的頂端甚至人體之上，企圖和帶有陰電的云層相遇；陰電荷枝狀的觸角則向下伸展，越向下伸越接近地面。最后陰陽電荷終于克服空氣的阻障而連接上。巨大的電流沿著一條傳導氣道從地面直向云涌去，產(chǎn)生出一道明亮奪目的閃光。一道閃電的長度可能只有數(shù)千米，但最長可達數(shù)百千米。

閃電的溫度，從攝氏一萬七千度至二萬八千度不等，也就是等于太陽表面溫度的3~5倍。閃電的極度高熱使沿途空氣劇烈膨脹?？諝庖苿友杆?，因此形成波浪并發(fā)出聲音。閃電距離近，聽到的就是尖銳的爆裂聲；如果距離遠，聽到的則是隆隆聲。你在看見閃電之后可以開動秒表，聽到雷聲后即把它按停，然后以3來除所得的秒數(shù)，即可大致知道閃電離你有幾千米。

閃電的類型

閃電通常分為無聲放電和閃電兩類。閃電本身又可以分為片狀閃電、線狀閃電、鏈形閃電和球形閃電等。

最常出現(xiàn)的一種無聲放電是被叫做“愛爾馬圣火”的。由于暴風雨等原因，大氣中的電場強度大大地增長起來，在地球表面的突出物體附近，電場強度很容易達到30kV/cm的強度，導致在突出部分發(fā)生靜寂放電。這是一種并非雷云與大地間放電和沒有雷聲的閃光現(xiàn)象，實際上就是尖端電暈放電。放電時，突出物周圍會呈冒煙狀或光膜狀的放電現(xiàn)象。當電場強度很強時，就會形成單獨束狀放電，由物體周圍放射出來。這種放電現(xiàn)象對電訊系統(tǒng)有干擾。

片狀閃電 是出現(xiàn)在云的表面上的閃光，它有時可能是被云塊遮沒的火花閃電的延光，也可能是在云的上部發(fā)出來的叢集的、若隱若現(xiàn)的一種特殊的放電作用的光。這種閃電，表示云中電場的能量雖然已經(jīng)足夠產(chǎn)生放電作用，但是新加入的電量卻太少，以致在閃爍放電尚未轉變到火花（線狀）放電以前，原有的儲電量已經(jīng)用完了。僅僅伴隨有片狀閃電的雷暴是屬于弱的一類，對電力系統(tǒng)一般只會引進不大的感應過電壓。

線狀閃電 一般都是一種蜿蜒曲折枝義縱橫的巨型電氣火花，長2-3公里，也有長達10公里的，是閃電中最強烈的一種，對電力、電訊系統(tǒng)及人畜和建筑物等威脅最大。當雷云與大地間或雷云相互間的電場強度由于游離電荷的逐漸累積而增長到足以使空氣絕緣破壞的強度（最高時可達100kV/m）時，就會產(chǎn)生種強烈的放電現(xiàn)象，在放電的瞬間具有極大的能量，電壓可以積累到1,000-100,000kV以上，放電電流可高達數(shù)十萬安培，而放電時間只不過千分之幾秒。線狀閃電大多是雷云與大地間的放電，但也有的是雷云之間的放電。這種閃電可以同時擊在不同的地方，一般分為前導放電和主放電等階段。在大多數(shù)情況下（約50-70%以上），雷云與大地間的放電過程不是單一的而是多重的，也就是說由若干個先后在同一通道上發(fā)展的單一的放電所組成。重復放電的數(shù)目一般為1-27次，單次放電的延續(xù)時間一般為0.001~0.02秒，各次放電的間隔時間為0.01~0.05秒。

鏈形閃電 比較罕見，是一條發(fā)光的虛線，像一條鏈子一樣，在云與大地間放電或云與云間放電時均可能出現(xiàn)。似乎是介于線狀閃電與球形閃電之間的一種過渡形式。

球形閃電 是最奇妙、最罕見和最神秘莫測的一種閃電，由拳頭般大小到足球那樣大的球形發(fā)光體所組成，活動速度不大，可以看到移動，它走的路徑極不規(guī)則，往往與風向一致，它出現(xiàn)時，常有尖哨聲或嗡嗡聲，有時會安然地消失，但有時也會發(fā)生可怖的爆炸。它消失時，往往留下具有刺激性的輕煙霧。球形閃電存在的時間可由幾秒到幾分鐘，它能在一個地方停留一些時候，一面冒煙，一面發(fā)出火花，目前，國際上對于球形閃電也還沒有很完善的解釋，科學家們?nèi)栽谘芯恐小?/P>

閃電除了是一種明亮的電氣火花以外，同時還伴有強大的響聲，這就是雷聲。

雷聲的大小與閃電的強弱相應，雷不僅僅是由于空氣在溫度高達18000℃左右的閃電渠道中因突然而強烈的受熱和隨之而起的急速冷卻，致空氣因急速膨脹和壓縮的振動而發(fā)生的響聲；同時雷也是水和空氣在高電壓（火花）的作用下分解所產(chǎn)生的瓦斯爆炸時發(fā)出的聲音。由于爆炸波的特性、多次放電和聲音來回反射等關系，雷聲隆隆不絕。云間放電時，雷聲延續(xù)的時間比云與大地間放電的時間短。一般一次閃電的雷聲平均延續(xù)時間約30-40秒，在個別場合下可達到1分鐘。

襲擊的時間

每時每刻世界各地大約正有1800個雷電交作在進行中。它們每秒鐘約發(fā)出600次閃電，其中有100次襲擊地球。

烏干達首都坎帕拉和印尼的爪哇島，是最易受到閃電襲擊的地方。據(jù)統(tǒng)計，爪哇島有一年竟有300天發(fā)生閃電。而歷史上最猛烈的閃電，則是1975年襲擊津巴布韋鄉(xiāng)村烏姆塔里附近一幢小屋的那一次，當時死了21個人。

雷電發(fā)生的頻率與特性

在任何給定時刻，世界上都有1800場雷雨正在發(fā)生，每秒大約有100次雷擊。在美國，雷電每年會造成大約150人死亡和250人受傷。全世界每年有4000多人慘遭雷擊。在雷電發(fā)生頻率呈現(xiàn)平均水平的平坦地形上，每座300英尺高的建筑物平均每年會被擊中一次。每座1200英尺的建筑物，比如廣播或者電視塔，每年會被擊中20次，每次雷擊通常會產(chǎn)生6億伏的高壓。

每個從云層到地面的閃電實際上包含了在60毫秒間隔內(nèi)發(fā)生的3到5次獨立的雷擊，第一次雷擊的峰值電流大約為2萬安培，后續(xù)雷擊的峰值電流減半。最后一次雷擊之后，可能會有大約150安培的連續(xù)電流，持續(xù)時間達100毫秒。

經(jīng)測量，這些雷擊的上升時間大約為200納秒或者更快。通過2萬安培和200納秒，不難計算得到dI/dt的值是每秒10^11安培。