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解密雷电
发布日期:
2020-07-22

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雷电一词最初源于神话,充满了神秘色彩。希腊人认为雷电是众神之神宙斯的武器,用于维持着天地间的秩序;中国人认为雷电由雷公电母掌控,主要作用是在下雨是助威,也可以惩恶扬善;非洲土著人认为一种神秘鸟类的羽毛在闪光,它的翅膀拍动产生了闪电打雷的声音。当然,人类对雷电的认知不仅仅是停留在神话猜想层面。长期以来,人类用科学的方法研究雷电,经过不断探索,目前揭开了雷电的神秘面纱。

雷电的特点


本质上雷电是一种气体导电现象,具有正负极性,往往单个雷电发生后诱导多个雷电发生,形成壮观的自然景象。

 

科学家经过300多年的探测研究,总结出雷电的特点:

能量高、时间短。单个雷电的能量可达百万焦耳,打个比方吧,也就是你眨眼瞬间引燃24kg烈性炸药TNT……更形象点,一个手榴弹也就0.17kg的TNT,而单个雷电的平均能量相当于141个手榴弹。


发生频繁。根据卫星监测数据,全球每秒钟约发生上百次雷电。


高电压、大电流。雷电具有多物理效应,主要以电磁场形式表现,在放电瞬间,电压可达到几亿伏特,峰值电流高达数数几十万安培,整个过程产生很强的电磁干扰。


电荷来自哪儿


在物理学中,自然界的电荷只有正负极性两种,在一个与外界没有电荷交换的系统中,正负电荷的代数和在任何物理过程中始终保持不变,也就是正负电荷相等。比如,整个宇宙我们可以看为一个系统,遵循电荷守恒;地球大气圈以内的整个部分,也就是大气层、陆地、海洋可以看做一个系统,整个系统内部电荷守恒。

 

正常情况下,大气圈最外面的大气层可以认为是正极,大地和海洋是负极,为了便于理解,可以把地球大气圈简化为如下物理电路模型,电荷就在正极和负极之间运动。地球表面的电荷向大气层移动的实现,主要通过地壳放射带电离子、火山爆发、宇宙射线电离、可以漂浮的带电粒子(沉土、云雾、气溶胶等)几种方式;大气层向地球表面电荷的移动则主要通过雷电、降雨、沉降带电微粒等。


因此,雷电的电荷的来源于大气圈以内物质的电离和带电微粒,极性有正、负之分。

 

雷电发生过程


首先是大气圈内部的电离和漂浮的带电粒子,正负电荷之间相互吸引、聚集,形成上中下电荷极性不同的雷云。


雷云不是普通的云,它更厚,垂直方向可超过10km,具有很大的含水量,可以产生降雨、降雪、冰雹。


当雷云电荷积累到一定程度,大概局部电场强度104V/cm,雷云内部会发生击穿,数量多的极性电荷中和掉数量少的电荷,使雷云成为单一的正或负极性,能够与其它雷云之间发生放电,从而可以电离空气。


初始击穿的后期,随着大气电场的进一步加强,电子与空气分子碰撞,产生轻度电离,正、负离子不断中和,形成一直向地面逐级延伸的流光,最终整个通道充满正或负电荷。这个阶段称为梯式先导,由于有大量电荷中和,会发出很大声音,也就是我们常说的雷声。


电荷通道向下到达距离地面5~50m时,可形成很强的地面大气电场,这时地面电荷向上运动,产生地面向上发展的流光,形成连接先导,至此雷云和大地之间形成容易传到电荷的空气电离通道,产生很强的亮光,空气电离通道周围的雷云可以迅速向大地释放电荷,形成一片交织的雷电。


整体来看,雷电的发生过程分为电荷积累、初始击穿、梯式先导、连接先导、电荷放电几个阶段。


雷电的分类

雷电的分类有多种方法,按照发生部位,可以分为云内、云间、云地;按照极性,分为正极性、负极性;按照形状,分为线状、带状、球状、联珠状。

站在太空看雷电

根据雷电监测研究成果,地球表面发生的雷电到占比约为50%,云间和云内雷电也时刻在发生。根据卫星拍摄的图像,我们可以换个视角了解雷电。


雷电解答top10

 雷电电压

雷电可能具有1亿到10亿伏特的电压!

 

 雷电正、负极性比例

地球上雷电的正负极性比为9:1,90%的雷电都是负极性。

 

 雷电瞬间温度

雷电发生时,雷电通道周围的空气温度可高大30000℃!

 

 冬季雷电

在冬季,雷电发生的频率较低,因为大气中的不稳定性和湿气不如夏季,但是雷电还是会发生,最新的研究表明冬季雷电虽然发生较少,但雷电流峰值可达到300kA,电荷量也更大,防护要求更高。

 

 雷电百害无一益吗

事实上,地球从多种方面受益于闪电。首先,雷电是地球全球电路的重要一部分,有助于将电荷转移回地球。没有雷电,地球大气的电平衡就会很快消失。其次,闪电发生中能够产生臭氧,臭氧不但不臭,而且还能吸收大部分宇宙射线,使地球表面的生物免遭紫外线过量照射的危害。再者,雷电发生瞬间的高温有助于杀死又可杀死大气中90%以上的细菌和微生物。另外,雷电能为地球元素形态转换提供便利条件,比如大气中还含有78%不能被作物直接吸收的游离氮,雷电发生时大气中不活泼的氮与氧化合,变成二氧化氮。大雨又将二氧化氮溶解成为稀硝酸,并随雨水降至地面与其他物质化合,变成作物可以直接吸收的氮肥。据测算,全球每年由雷雨而“合成”的氮肥就有20亿吨!

 

 雷电对人类的威胁

雷电是工人的自然界十大灾害之一,对航空、航天、电力、通讯、船舶等领域造成严重威胁,是森林火灾发生的主要原因。另外,据统计每年因雷电伤亡的人员超过20000人,这意味着每1小时都有2人以上因为雷电而……

 

 雷电最多的地方

根据LIS监测的雷电监测数,委瑞内拉的马拉开波湖是世界上雷电发生最频繁的地方,平均每年每平方公里可发生232次雷电!

 

 一年地球上发生多少次雷电

地球上平均每天发生800万次云对地闪电,也就是一年发生约发生290亿次雷电。

 

 谈谈遭雷劈的概率

某国做过此项研究,大致结论是您一生中(80年)遭受打击的几率为15,300分之一。作者认为,这很大程度上取决于您的曝光率和飘忽程度!


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