解密雷電
發布日期:
2020-07-22

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雷電一詞最初源于神話,充滿了神秘色彩。希臘人認為雷電是眾神之神宙斯的武器,用于維持著天地間的秩序;中國人認為雷電由雷公電母掌控,主要作用是在下雨是助威,也可以懲惡揚善;非洲土著人認為一種神秘鳥類的羽毛在閃光,它的翅膀拍動產生了閃電打雷的聲音。當然,人類對雷電的認知不僅僅是停留在神話猜想層面。長期以來,人類用科學的方法研究雷電,經過不斷探索,目前揭開了雷電的神秘面紗。

雷電的特點


本質上雷電是一種氣體導電現象,具有正負極性,往往單個雷電發生后誘導多個雷電發生,形成壯觀的自然景象。

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科學家經過300多年的探測研究,總結出雷電的特點:

能量高、時間短。單個雷電的能量可達百萬焦耳,打個比方吧,也就是你眨眼瞬間引燃24kg烈性炸藥TNT……更形象點,一個手榴彈也就0.17kg的TNT,而單個雷電的平均能量相當于141個手榴彈。


發生頻繁。根據衛星監測數據,全球每秒鐘約發生上百次雷電。


高電壓、大電流。雷電具有多物理效應,主要以電磁場形式表現,在放電瞬間,電壓可達到幾億伏特,峰值電流高達數數幾十萬安培,整個過程產生很強的電磁干擾。


電荷來自哪兒


在物理學中,自然界的電荷只有正負極性兩種,在一個與外界沒有電荷交換的系統中,正負電荷的代數和在任何物理過程中始終保持不變,也就是正負電荷相等。比如,整個宇宙我們可以看為一個系統,遵循電荷守恒;地球大氣圈以內的整個部分,也就是大氣層、陸地、海洋可以看做一個系統,整個系統內部電荷守恒。

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正常情況下,大氣圈最外面的大氣層可以認為是正極,大地和海洋是負極,為了便于理解,可以把地球大氣圈簡化為如下物理電路模型,電荷就在正極和負極之間運動。地球表面的電荷向大氣層移動的實現,主要通過地殼放射帶電離子、火山爆發、宇宙射線電離、可以漂浮的帶電粒子(沉土、云霧、氣溶膠等)幾種方式;大氣層向地球表面電荷的移動則主要通過雷電、降雨、沉降帶電微粒等。


因此,雷電的電荷的來源于大氣圈以內物質的電離和帶電微粒,極性有正、負之分。

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雷電發生過程


首先是大氣圈內部的電離和漂浮的帶電粒子,正負電荷之間相互吸引、聚集,形成上中下電荷極性不同的雷云。


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


當雷云電荷積累到一定程度,大概局部電場強度104V/cm,雷云內部會發生擊穿,數量多的極性電荷中和掉數量少的電荷,使雷云成為單一的正或負極性,能夠與其它雷云之間發生放電,從而可以電離空氣。


初始擊穿的后期,隨著大氣電場的進一步加強,電子與空氣分子碰撞,產生輕度電離,正、負離子不斷中和,形成一直向地面逐級延伸的流光,最終整個通道充滿正或負電荷。這個階段稱為梯式先導,由于有大量電荷中和,會發出很大聲音,也就是我們常說的雷聲。


電荷通道向下到達距離地面5~50m時,可形成很強的地面大氣電場,這時地面電荷向上運動,產生地面向上發展的流光,形成連接先導,至此雷云和大地之間形成容易傳到電荷的空氣電離通道,產生很強的亮光,空氣電離通道周圍的雷云可以迅速向大地釋放電荷,形成一片交織的雷電。


整體來看,雷電的發生過程分為電荷積累、初始擊穿、梯式先導、連接先導、電荷放電幾個階段。


雷電的分類

雷電的分類有多種方法,按照發生部位,可以分為云內、云間、云地;按照極性,分為正極性、負極性;按照形狀,分為線狀、帶狀、球狀、聯珠狀。

站在太空看雷電

根據雷電監測研究成果,地球表面發生的雷電到占比約為50%,云間和云內雷電也時刻在發生。根據衛星拍攝的圖像,我們可以換個視角了解雷電。


雷電解答top10

??雷電電壓

雷電可能具有1億到10億伏特的電壓!

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??雷電正、負極性比例

地球上雷電的正負極性比為9:1,90%的雷電都是負極性。

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??雷電瞬間溫度

雷電發生時,雷電通道周圍的空氣溫度可高大30000℃!

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??冬季雷電

在冬季,雷電發生的頻率較低,因為大氣中的不穩定性和濕氣不如夏季,但是雷電還是會發生,最新的研究表明冬季雷電雖然發生較少,但雷電流峰值可達到300kA,電荷量也更大,防護要求更高。

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??雷電百害無一益嗎

事實上,地球從多種方面受益于閃電。首先,雷電是地球全球電路的重要一部分,有助于將電荷轉移回地球。沒有雷電,地球大氣的電平衡就會很快消失。其次,閃電發生中能夠產生臭氧,臭氧不但不臭,而且還能吸收大部分宇宙射線,使地球表面的生物免遭紫外線過量照射的危害。再者,雷電發生瞬間的高溫有助于殺死又可殺死大氣中90%以上的細菌和微生物。另外,雷電能為地球元素形態轉換提供便利條件,比如大氣中還含有78%不能被作物直接吸收的游離氮,雷電發生時大氣中不活潑的氮與氧化合,變成二氧化氮。大雨又將二氧化氮溶解成為稀硝酸,并隨雨水降至地面與其他物質化合,變成作物可以直接吸收的氮肥。據測算,全球每年由雷雨而“合成”的氮肥就有20億噸!

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??雷電對人類的威脅

雷電是工人的自然界十大災害之一,對航空、航天、電力、通訊、船舶等領域造成嚴重威脅,是森林火災發生的主要原因。另外,據統計每年因雷電傷亡的人員超過20000人,這意味著每1小時都有2人以上因為雷電而……

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??雷電最多的地方

根據LIS監測的雷電監測數,委瑞內拉的馬拉開波湖是世界上雷電發生最頻繁的地方,平均每年每平方公里可發生232次雷電!

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??一年地球上發生多少次雷電

地球上平均每天發生800萬次云對地閃電,也就是一年發生約發生290億次雷電。

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??談談遭雷劈的概率

某國做過此項研究,大致結論是您一生中(80年)遭受打擊的幾率為15,300分之一。作者認為,這很大程度上取決于您的曝光率和飄忽程度!


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