中國科學家首次記錄到球狀閃電及光譜,來聊聊閃電那些事

2020-12-18 騰訊網

閃電

閃電是我們常見的一種自然現象,閃電是雲與雲之間、雲與地之間或者雲體內不同部位之間的強烈放電現象(一般發生在積雨雲中)。閃電的利害之處在於能量的瞬間釋放。它所產生的強大電流、灼熱的高溫、猛烈的衝擊波、劇變的靜電場和強烈的電磁輻射等物理效應給人們帶來了多種危害。

在實驗室中,如果我們在兩根電極之間加很高的電壓,並把它們慢慢地靠近。當兩根電極靠近到一定的距離時,在它們之間就會出現電火花,這就是所謂「電弧放電」現象。

雷雨雲中所產生的閃電,與上圖所示的「電弧放電」非常相似,只不過在兩根電極之間的高電壓可以人為地靠電源來持續供能,所以可以保持電弧持續。而在積雨雲中當聚集的電荷達到一定的數量時,在雲內不同部位之間或者雲與地面之間就形成了很強的電場。電場強度平均可以達到幾千伏特/釐米,局部區域可以高達1萬伏特/釐米。這麼強的電場,足以把雲內外的大氣層擊穿,於是在雲與地面之間或者雲與雲之間激發出耀眼的閃光。這就是人們常說的閃電。但是由於雲中電荷放電後沒法很快補充,所以自然界的閃電卻是轉瞬即逝。

閃電的類型有很多,我們最長見到的有雲內閃電、雲間閃電與雲地閃電。

同時發生的雲間閃電與雲地閃電

發生過程

雲內閃電與雲間閃電的發生過程相對簡單,就是在雲的不同電荷聚集區域之間的瞬間放電。而落到地面與建築物,或者經常襲擊人畜的雲地閃電就比較複雜。

肉眼看到的一次接地的閃電,其過程是很複雜的。雷雨雲的上部是正電荷中心,雲的中部是強大的負電荷中心,而雲底面對地表的部分又變成正電荷中心,這就在雲底與地面間形成強大電場。

~初始擊穿過程

積雨雲的下部的負電荷中心與其底部正電荷中心附近局部地區的大氣電場達到約104V/cm時,則大氣會被初始擊穿,負電荷中和掉正電荷,這時從雲下部到雲底部均為負電荷。

~梯級先導過程

隨著大氣電場進一步加強,這時電子與空氣分子發生碰撞,產生輕度的電離,而形成負電荷向下發展的流光,表現為一條暗淡的光柱向梯級一樣伸向地面,稱為梯級先導。每級梯級先導是直徑約5米、長50米、電流約100安培的暗淡光柱,它以平均約150000米/秒的高速度一級一級地伸向地面。

~連接先導過程

當具有負電位的梯級先導到達地面附近,離地約5-50m時,可形成很強的大氣電場,使得地面的正電荷向上運動,並產生從地面向上發展的正流光,稱為連接先導。連接先導大多發生於地面凸起物處。

~地面回擊過程

回擊以5萬公裡/秒的更高速度從地面馳向雲底,發出光亮無比的光柱,歷時40微秒,通過電流超過1萬安培,這即閃電首次連通後的第一道閃光。在第一閃擊之後,經幾十毫秒的時間間隔,又會有一條暗淡光柱,沿著第一閃擊的路徑由雲中流向地面,這種流光稱為直竄(箭式)先導。當直竄先導到達地面附近後,又產生向上發展的流光由地面與其會合,隨即產生向上回擊。由直竄先導到回擊這一完整的放電過程稱為第二閃擊,第二閃擊的基本特徵與第一閃擊是相同的,而以後的各次閃擊的情況與第二閃擊的情況基本相同。

所以通常我們見到的雲地閃電其實是由3~4次閃擊構成的一次放電過程。只是由於歷時只有約0.25秒,我們的肉眼無法分辨,在此短時間內,高達二萬八千度的電弧使沿途空氣劇烈膨脹。空氣被擠壓急速移動,形成聲波,發出巨大的爆炸聲音,就是我們在閃電之後聽到的打雷聲。

一次完整的閃電是又多次連通的閃擊構成的

閃電之最

一道普通閃電的長度可能只有數百米(最短的為100米),但最長可達數千米。閃電的溫度大概是太陽表面溫度的3~5倍。

2007年美國而赫拉荷馬州的一場暴風雨中出現了一條長達200英裡(321.85公裡)的雲間閃電,被稱為有史以來最長的閃電,而法國南部2012年的一場暴風雨中記錄到一次長達7.74秒的閃電,成為持續時間最長的閃電,這兩項事件都被載入世界氣象組織的極端氣候紀錄。

閃電所釋放的能量每次都不一樣,從幾千瓦時(度)到幾十萬千瓦時都可能。一般而言,一次普通閃電電壓約為1百萬伏特,電流約為2萬安,持續時間約為0.1秒,所以一個雷電的能量約為20億焦耳,相當於550度電.如果把這些能 量全部利用起來,可供一個普通家庭使用2個月以上。

超級閃電

超級閃電指的是那些威力比普通閃電大100多倍的稀有閃電。普通閃電產生的電力約為10億瓦特,而超級閃電產生的電力則至少有1000億瓦特,甚至可能達到萬億至100000億瓦特。

紐芬蘭的鐘島在1978年顯然曾受到一次超級閃電的襲擊,連13公裡以外的房屋也被震得格格響,整個鄉村的金屬門窗都噴出藍色的電弧。

世界上閃電最多的地方

位於南美洲委內瑞拉的馬拉開波湖是南美洲最大的湖泊,面積約1.43萬平方公裡。湖泊倚傍安迪斯山脈,形成了獨特的地勢和氣候,也讓那裡成為閃電的頻發地:白天溫涼的山風匯聚在溼熱的湖面上,夜間溫度下降,極易發生閃電。馬拉開波閃電非常的閃亮,400千米(250公裡)外都能看到,海員們將它作為航海的燈塔用。

馬拉開波湖

科學家通過分析美國國家航空航天局的數據發現,馬拉開波湖成功擊敗剛果盆地,這裡一年365天有297天會發生閃電擊中湖面,成為世界上閃電最多的地方。

閃電家族中的奇葩類型

危險的黑色閃電

一般閃電多為明亮的藍色、或白色,但有時也會產生一種怪異的黑色閃電。由於大氣中太陽光、雲的電場和某些理化因素的作用,天空中會產生一種化學性能十分活潑的微粒。在電磁場的作用下,這種微粒便聚集在一起,形成許多球狀物。這種球狀物不會發射能量,但可以長期存在,它沒有亮光,不透明,所以只有白天才能觀測到它。

1974年6月23日,前蘇聯天文學家契爾諾夫就曾經在扎巴洛日城看見一次「黑色閃電」:一開始是強烈的球狀閃電,緊接著,後面就飛過一團黑色的東西,這東西看上去像霧狀的凝結物。經過研究分析表明:黑色閃電是由分子氣凝膠聚集物產生出來的,而這些聚集物是發熱的帶電物質,極容易爆炸或轉變為球狀的閃電,其危險性極大。

黑色閃電想像圖

據觀察研究認為:黑色閃電一般不易出現在近地層,如果出現了,則較容易撞上樹木、桅杆、房屋和其他金屬,一般呈現瘤狀或泥團狀,初看似一團髒東西,極容易被人們忽視,而它本身卻載有大量的能量,所以,它是「閃電族」中危險性和危害性均較大的一種。尤其是,黑色閃電體積較小,雷達難以捕捉;而且,它對金屬物極具「青睞」;因而被飛行人員稱作「空中暗雷」。飛機在飛行過程中,倘若觸及黑色閃電,後果將不堪設想。而每當黑色閃電距離地面較近時,又容易被人們誤認為是一隻飛鳥或其他什麼東西,不易引起人們的警惕和注意;如若用棍物擊打觸及,則會迅速發生爆炸,有使人粉身碎骨的危險。另外,黑色閃電和球狀閃電相似,一般的避雷設施如避雷針、避雷球、避雷網等,對黑色閃電起不到防護作用。

幽靈般的球狀閃電

球狀閃電是閃電形態的一種,亦稱之為球閃,民間則常稱之為滾地雷。是一種十分罕見的閃電形狀,卻最引人注目。它像一團火球,約有人頭那麼大,偶爾也有直徑幾米甚至幾十米的。球狀閃電有時候在空中慢慢地漂移,有時候又完全不動地懸在空中。它有時候發出白光,有時候又發出像流星一樣的粉紅色光。球狀閃電「喜歡」鑽洞,有時候,它可以從煙囪、窗戶、門縫鑽進屋內,在房子裡轉一圈後又溜走。球狀閃電有時發出「噝噝」的聲音,然後一聲巨響而消失;有時又只發出微弱的噼啪聲而不知不覺地消失。球狀閃電消失以後,在空氣中可能留下一些有臭味的氣煙,有點像臭氧的味道。球狀閃電的平均直徑為25釐米,大多數在10~100釐米之間,小的只有0.5釐米,最大的直徑達數米。球狀閃電偶爾也有環狀或中心向外延伸的藍色光暈,發出火花或射線。顏色常見的為橙紅色或紅色,當它以特別明亮並使人目眩的強光出現時,也可看到黃、藍和綠色。其壽命只有1~5秒,最長的可達數分鐘。

網上流傳的一段最著名的球狀閃電視頻(後被證明是用特效偽造的)

球狀閃電的行走路線,一般是從高空直接下降,接近地面時突然改向作水平移動;有的突然在地面出現,彎曲前進;也有沿著地表滾動並迅速旋轉的;運動速度常為每秒1~2米。它可以穿過門窗,常見的是穿過煙囪後進入建築物,它甚至可以在導線上滑動,有時還發出「嗡嗡」響聲。多數火球無聲消失,有的在消失時有爆炸聲,可以造成破壞,甚至使建築物倒塌,使人和家畜死亡。遇人遇物後即發生驚人的爆炸,產生刺鼻的氣味,造成傷亡、火災等事故。

2012年,蘭州西北師範大學的研究人員在青海省一個雷暴天氣中利用高速攝像機和光譜格柵記錄到了一個由雲地閃電生成的橙色的球狀閃電。這個直徑10米的球形閃電生成後貼地漂移了15米後消失。這是球狀閃電首次被視頻和光譜記錄,被認為是迄今為止自然界球狀閃電的首次科學記錄。

球狀閃電及光譜首次被記錄到

此次蘭州西北師範大學研究人員使用光譜設備記錄了球狀閃電,從而能夠識別構成球狀閃電的主要元素。他們發現球狀閃電中包含:鐵、矽、鈣,這與土壤主要成分相同。這也間接支持了球狀閃電的矽氣化假說。

被閃電擊中的地面形成的矽化管道

當超高溫的閃電擊中地面時,土壤中的沙子被高溫氣化形成矽蒸汽,這種蒸汽與空氣中的氧氣結合就會發出輝光,同時電離狀態的這團氣體就會上升到半空中形成一個發光的球狀體而跟誰氣流飄動。當然在最終沒有通過實驗得到複製時這一研究還只是一個假說而已。

梵觀點:閃電雖然常見,但是還是有很多未解之謎。其強大的能量和破壞力讓人類又愛又怕。

相關焦點

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    球狀閃電是一種比較罕見的物理現象,通常發生在雷暴天氣,又被大家稱為滾地雷。它的外形是圓球狀十分明亮,直徑在15至40釐米之間。一般它們只能維持數秒,多的時候也有1至2分鐘的記錄。最常見的顏色是橙色和紅色,除此之外還有黃色、藍色、紫色、幽綠色的光環。
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