氣象科普——雷電

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象。雷電一般產生於對流發展旺盛的積雨雲中，因此常伴有強烈的陣風和暴雨，有時還伴有冰雹和龍捲風。

雷電

積雨雲頂部一般較高，可達20公裡，雲的上部常有冰晶。冰晶的凇附，水滴的破碎以及空氣對流等過程，使雲中產生電荷。雲中電荷的分布較複雜，但總體而言，雲的上部以正電荷為主，下部以負電荷為主。因此，雲的上、下部之間形成一個電位差。當電位差達到一定程度後，就會產生放電，這就是我們常見的閃電現象。

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，相當於一座小型核電站的輸出功率。放電過程中，由於閃電通道中溫度驟增，使空氣體積急劇膨脹，從而產生衝擊波，導致強烈的雷鳴。

帶有電荷的雷雲與地面的突起物接近時，它們之間就發生激烈的放電。在雷電放電地點會出現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象。

雷電種類

雷電分直擊雷、電磁脈衝、球形雷、雲閃四種。其中直擊雷和球形雷都會對人和建築造成危害，而電磁脈衝主要影響電子設備，主要是受感應作用所致；雲閃由於是在兩塊雲之間或一塊雲的兩邊發生，所以對人類危害最小。

直擊雷就是在雲體上聚集很多電荷，大量電荷要找到一個通道來洩放，有的時候是一個建築物，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洩放的一個通道，就把人或者建築物給擊傷了。直擊雷是威力最大的雷電，而球形雷的威力比直擊雷小。

雷雲形成

產生雷電的條件是雷雨雲中有積累並形成極性。科學家們對雷雨雲的帶電機制及電荷有規律分布，進行了大量的觀測和試驗，積累了許多資料，並提出各種各樣的解釋，有些論點至今還有爭論。

對流雲初始階段的「離子流」假說

大氣中存在這大量的正離子和負離子，在雲中的雨滴上，電荷分布是不均勻的，最外邊的分子帶負電，裡層的帶正電，內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。當對流發展開始時，較輕的正離子逐漸的被上升的氣流帶到雲的上部；而帶負電的雲滴因為比較重，就留在了下部，造成了正負電荷的分離。

冷雲的電荷積累

當對流發展到一定階段，雲體伸入0℃層以上的高度後，雲中就有了過冷水滴、霰粒和冰晶等。這種由不同相態的水汽凝結物組成且溫度低於0℃的雲，叫冷雲。冷雲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

在雲層中有許多水滴在溫度低於0℃時也不會凍結，這種水滴叫過冷水滴。過冷水滴是不穩定的，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。當發生撞凍時，過冷水滴外部立即凍成冰殼，但它的內部仍暫時保持著液態，並且由於外部凍結放的潛熱傳到內部，其內部液態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，內部帶上負電。當內部也發生凍結時，雲滴就膨脹分裂，外表皮破裂成許多帶正電的冰屑，隨氣流飛到雲層上部，帶負電的凍滴核心部分則附在較重的霰粒上，使霰粒帶負電並留在雲層的中下部。

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，結構比較鬆脆。由於經常有冷水滴與它撞凍並釋放潛熱，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+），離子數隨溫度升高而增多。由於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於低溫端，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，在一定時間內就出現了冷端氫離子過剩的現象，造成了高溫端為負，低溫端為正的電極化。當冰晶與霰粒接觸後，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雲的上部，較重的帶負電的霰粒則停留在雲層的下部，因而造成了冷雲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

出了上述冷雲的兩種起電機制外，還有人提出了由於大氣中水滴含有稀薄鹽分而產生起電機制。當雲滴凍結時，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(水滴凍結時是從裡向外進行的)。由於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雲滴，而凍結的核心部分則帶負電。由於重力和氣流的分選作用，電正點的小滴被帶到雲的上部，而帶負電的霰粒則停留在雲的中、下部。

暖雲的電荷積累

在熱帶地區，有一些雲整個雲體都位於0℃以上區域。因而只含有水滴而沒有固態水粒子。這種雲叫暖雲或水雲。暖雲也會出現雷電現象。在中緯度地區的雷暴雲，雲體位於0℃等溫線一下的部分，就是雲的暖區。在雲的暖區裡也有起電過程發生。

在雷雨雲的發展過程中，上述機制在不同的發展階段分別起作用。但是，最主要的帶電機制還是由於水滴凍結造成的。大量觀測事實表明，只有當雲頂呈現纖維狀，絲縷結構時，雲彩發展成為雷雨雲。飛機觀測發現，雷雨雲中存在以冰、雪晶和霰粒為主的大量雲粒子，而且大量電荷的積累即雷雨雲迅猛帶電機制，必須依靠霰粒生長過程的碰撞、撞凍和摩擦等才能發生。

閃電現象

暴風雲通常產生電荷，底層為陰電，頂層為陽電，而且還在地面產生陽電荷，如影隨形地跟著雲移動。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、高大建築物的頂端甚至人體之上，企圖和帶有陰電的雲層相遇；陰電荷枝狀的觸角則向下伸展，越向下伸越接近地面。最後陰陽電荷終於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雲湧去，產生出一道明亮奪目的閃光。一道閃電的長度可能只有數千米，但最長可達數百千米。

閃電的溫度，從攝氏一萬七千度至二萬八千度不等，也就是等於太陽表面溫度的3~5倍。閃電的極度高熱使沿途空氣劇烈膨脹。空氣移動迅速，因此形成波浪並發出聲音。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。你在看見閃電之後可以開動秒表，聽到雷聲後即把它按停，然後以3來除所得的秒數，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。

最常出現的一種無聲放電是被叫做「愛爾馬聖火」的。由於暴風雨等原因，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，導致在突出部分發生靜寂放電。這是一種並非雷雲與大地間放電和沒有雷聲的閃光現象，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。這种放電現象對電訊系統有幹擾。

片狀閃電 是出現在雲的表面上的閃光，它有時可能是被雲塊遮沒的火花閃電的延光，也可能是在雲的上部發出來的叢集的、若隱若現的一種特殊的放電作用的光。這種閃電，表示雲中電場的能量雖然已經足夠產生放電作用，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，原有的儲電量已經用完了。僅僅伴隨有片狀閃電的雷暴是屬於弱的一類，對電力系統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公裡，也有長達10公裡的，是閃電中最強烈的一種，對電力、電訊系統及人畜和建築物等威脅最大。當雷雲與大地間或雷雲相互間的電場強度由於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，就會產生種強烈的放電現象，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。線狀閃電大多是雷雲與大地間的放電，但也有的是雷雲之間的放電。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。在大多數情況下（約50-70%以上），雷雲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後在同一通道上發展的單一的放電所組成。重複放電的數目一般為1-27次，單次放電的延續時間一般為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，是一條發光的虛線，像一條鏈子一樣，在雲與大地間放電或雲與雲間放電時均可能出現。似乎是介於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，它走的路徑極不規則，往往與風向一致，它出現時，常有尖哨聲或嗡嗡聲，有時會安然地消失，但有時也會發生可怖的爆炸。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，一面發出火花，目前，國際上對於球形閃電也還沒有很完善的解釋，科學家們仍在研究中。

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，雷不僅僅是由於空氣在溫度高達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）的作用下分解所產生的瓦斯爆炸時發出的聲音。由於爆炸波的特性、多次放電和聲音來回反射等關係，雷聲隆隆不絕。雲間放電時，雷聲延續的時間比雲與大地間放電的時間短。一般一次閃電的雷聲平均延續時間約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。它們每秒鐘約發出600次閃電，其中有100次襲擊地球。

烏幹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。據統計，爪哇島有一年竟有300天發生閃電。而歷史上最猛烈的閃電，則是1975年襲擊辛巴威鄉村烏姆塔裡附近一幢小屋的那一次，當時死了21個人。

雷電發生的頻率與特性

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。在雷電發生頻率呈現平均水平的平坦地形上，每座300英尺高的建築物平均每年會被擊中一次。每座1200英尺的建築物，比如廣播或者電視塔，每年會被擊中20次，每次雷擊通常會產生6億伏的高壓。

每個從雲層到地面的閃電實際上包含了在60毫秒間隔內發生的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，後續雷擊的峰值電流減半。最後一次雷擊之後，可能會有大約150安培的連續電流，持續時間達100毫秒。

經測量，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。