驾驭雷电新技术
作者 李忠东
发表于 2024年2月

全球平均每分钟遭受约2000次雷暴

雷电是蕴含能量最大的自然事件之一。地球上每年大约会产生14亿次闪电。一道闪电的长度最短为100米,最长可达数千米。闪电的温度从1.7万摄氏度至2.8万摄氏度不等,约为太阳表面温度的3 至5 倍。闪电以其明亮的闪光点亮天空,呈“之”字形划过天空,而不是以直线形式在雷、雨、云和地面之间放电。

当空中的冷暖气流相遇时,暖空气将会上升。在上升的过程中,暖空气中的水滴和冷空气中的冰晶彼此碰撞再分开,这种摩擦使云层中产生净电荷。上升的气流将较轻且带有正电荷的冰晶继续抬升到云层的上部,而较重且带有负电荷的冰水混合物则会沉积到云层的中下部,云层呈现上半部分带正电、中下部分带负电的电荷分离现象。云层中的电位差不断增加,由此产生了闪电。

根据闪电在云层中发生位置的不同,可以将其分为云中、云间和云地之间三种放电模式。大部分闪电其实是在云中发生的,带正电的区域向带负电的区域放电,闪电便在云层之中产生。

云地之间的闪电对人类生产生活的影响最大。云地之间要产生闪电,电子会最先从云层的中下部和底部开始向下呈阶梯状移动。更形象一点的解释,就是云层中下部与底部和地面形成的电场强度越来越大,在云层底部产生了一個被强烈电离的气柱,呈阶梯状逐渐向地面延伸。这种暗淡光柱被称为“梯级先导”,直径为5米左右,每一级长约50米,平均速率为每秒15万千米。

当“梯级先导”一级一级向下传递,离地面只有5米至50米的距离时,就像接通了一根导线——强大的电流以极快的速度从地面经由“梯级先导”导流至云层,这个过程被称为“回击”。“回击”的速度可以达到每秒5万千米,通过的电流超过1万安培,整个过程会发出无比明亮的光柱,夜空也会被照亮。当第一次“回击”完成之后,如果云层中还有足够的电量,上述过程还可以再重复两到三次。而“回击”过程中产生的明亮光柱就是我们所见到的闪电。

短时间内,狭窄的闪电通道上会释放出巨大的电能,产生冲击波向四周传开,这就是雷声产生的原因。闪电导致建筑物被破坏,电源被切断,引发火灾并有可能造成人员伤亡。

本文刊登于《科学24小时》2024年2期
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