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閃 電 的 構 造被人們研究得比較詳細的是線狀閃電,我們就以它為例來講述閃電的結構。閃電是大氣中脈沖式的放電現象。一次閃電由多次放電脈沖組成,這些脈沖之間的間歇時間都很短,只有百分之幾秒。脈沖一個接著一個,後面的脈沖就沿著第一個脈沖的通道行進。現在已經研究清楚,每一個放電脈沖都由一個"先導"和一個'回擊"構成。第一個放電脈沖在爆發之前,有一個準備階段—"階梯先導"放電過程:在強電場的推動下,云中的自由電荷很快地向地面移動。在運動過程中,電子與空氣分子發生碰撞,致使空氣輕度電離并發出微光。第一次放電脈沖的先導是逐級向下傳播的,象一條發光的舌頭。開頭,這光舌只有十幾米長,經過千分之幾秒甚至更短的時間,光舌便消失;然後就在這同一條通道上,又出現一條較長的光舌(約30米長),轉瞬之間它又消失;接著再出現更長的光舌……光舌采取"蠶食"方式步步向地面逼近。經過多次放電—消失的過程之後,光舌終於到達地面。因為這第一個放電脈沖的先導是一個階梯一個階梯地從云中向地面傳播的,所以叫做"階梯先導"。在光舌行進的通道上,空氣已被強烈地電離,它的導電能力大為增加。空氣連續電離的過程只發生在一條很狹窄的通道中,所以電流強度很大。___ 當第一個先導即階梯先導到達地面後,立即從地面經過已經高度電離了的空氣通道向云中流去大量的電荷。這股電流是如此之強,以至空氣通道被燒得白熾耀眼,出現一條彎彎曲曲的細長光柱。這個階段叫做"回擊"階段,也叫"主放電"階段。階梯先導加上第一次回擊,就構成了第一次脈沖放電的全過程,其持續時間只有百分之一秒。___巴西圣保羅大學物理學家揭開球形閃電成因據日前出版的巴西《今日科學》雜志報道,巴西圣保羅大學物理學家科特曼及其研究小組經過2年時間的研究後提出,球形閃電是因硅燃燒發光而形成的。實驗中,研究人員發現,將土壤樣品暴露在跟閃電過程一樣的條件下,就會產生含有硅的納米微粒,其被氧化的速率與球形閃電平均8秒的生命周期是一致的。研究人員由此提出一種理論,即土壤被雷電擊中後,會向大氣釋放含有硅的納米微粒,來自雷電襲擊的能量以化學能的形式儲存在這些納米微粒中,當達到一定高溫時,這些微粒就會氧化并釋放能量,形成球形閃電。球形閃電也稱電火球,是一種與雷電有關的自然現象。它時常漂浮在半空中,與地面接觸後會反彈,與之接觸的物質頃刻間便會被燒焦。第一個脈沖放電過程結束之後,只隔一段極其短暫的時間(百分之四秒),又發生第二次脈沖放電過程。第二個脈沖也是從先導開始,到回擊結束。但由於經第一個脈沖放電後,"堅冰已經打破,航線已經開通",所以第二個脈沖的先導就不再逐級向下,而是從云中直接到達地面。這種先導叫做"直竄先導"。直竄先導到達地面後,約經過千分之幾秒的時間,就發生第二次回擊,而結束第二個脈沖放電過程。緊接著再發生第三個,第四個…。。直竄先導和回擊,完成多次脈沖放電過程。由於每一次脈沖放電都要大量地消耗雷雨云中累積的電荷,因而以後的主放電過程就愈來愈弱,直到雷雨云中的電荷儲備消耗殆盡,脈沖放電方能停止,從而結束一次閃電過程。龍卷風的巨型積雨云中夾雜著閃電閃電是從天空宣?拇磕芰啃問?氣象萬千,是一種張力十足的天氣型態。在雷雨云內部,慢慢累積巨量的電荷。這些電荷在隨後令人眩目的閃光中放電,在云和地而之間曲折前進。多道叉狀閃電照亮瑞士盧森的夜空。典型的放電送出150萬伏特的電能,其中大多轉成熱能。這棵橡樹被閃電子打得支離破碎。雖然高溫只持續百萬分之幾秒,卻已經足夠蒸發樹干內的汁液,而引起爆裂。 在雷雨云的內部,冰晶和冰雹無數次的碰撞產生電荷,使云粒子變成帶有正電向和負電荷的帶電狀態云的帶電粒子向兩側分離,帶有正電荷的云粒子聚集到云的頂部,云的底部幾乎都帶負電。 云底部的負電荷感應底下地面的「遮蔭」電荷帶有正電。雷暴時的大氣電場與晴天時有明顯的差異,產生這種差異的原因,是雷雨云中有電荷的累積并形成雷雨云的極性,由此產生閃電而造成大氣電場的巨大變化。但是雷雨云的電是怎麼來的呢 也就是說,雷雨云中有哪些物理過程導致了它的起電 為什麼雷雨云中能夠累積那麼多的電荷并形成有規律的分布 本節將要回答這些問題。前面我們已經講過,雷雨云形成的宏觀過程以及雷雨云中發生的微物理過程,與云的起電有密切聯系。科學家們對雷雨云的起電機制及電荷有規律的分布,進行了大量的觀測和實驗,積累了許多資料并提出了各種各樣的解釋,有些論點至今也還有爭論。歸納起來,云的起電機制主要有如下幾種:A。對流云初始階段的"離子流"假說大氣中總是存在著大量的正離子和負離子,在云中的水滴上,電荷分布是不均勻的:最外邊的分子帶負電,裏層帶正電,內層與外層的電位差約高0。25伏特。為了平衡這個電位差,水滴必須"優先'吸收大氣中的負離子,這樣就使水滴逐漸帶上了負電荷。當對流發展開始時,較輕的正離子逐漸被上升氣流帶到云的上部;而帶負電的云滴因為比較重,就留在下部,造成了正負電荷的分離。B。冷云的電荷積累當對流發展到一定階段,云體伸入0℃層以上的高度後,云中就有了過冷水滴,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℃的云,叫冷云。冷云的電荷形成和積累過程有如下幾種:a。 冰晶與霰粒的摩擦碰撞起電霰粒是由凍結水滴組成的,呈白色或乳白色,結構比較松脆。由於經常有過冷水滴與它撞凍并釋放出潛熱,故它的溫度一般要比冰晶來得高。在冰晶中含有一定量的自由離子(OH-或OH+),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,較輕的帶正電的氫離子速度較快,而帶負電的較重的氫氧離子(OH-)則較慢。因此,在一定時間內就出現了冷端H+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負電,而溫度較低的冰晶則帶正電。在重力和上升氣流的作用下,較輕的帶正電的冰晶集中到云的上部,較重的帶負電的霞粒則停留在云的下部,因而造成了冷云的上部帶正電而下部帶負電。b。 過冷水滴在霰粒上撞凍起電在云層中有許多水滴在溫度低於0℃時仍不凍結,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,馬上就會凍結成冰粒。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,過冷水滴的外部立即凍成冰殼,但它內部仍暫時保持著液態,并且由於外部凍結釋放的潛熱傳到內部,其內部液態過冷水的溫度比外面的冰殼來得高。溫度的差異使得凍結的過冷水滴外部帶正電,內部帶負電。當內部也發生凍結時,云滴就膨脹分裂,外表皮破裂成許多帶正電的小冰屑,隨氣流飛到云的上部,帶負電的凍滴核心部分則附在較重的霰粒上,使霰粒帶負電并停留在云的中,下部。c。 水滴因含有稀薄的鹽分而起電除了上述冷云的兩種起電機制外,還有人提出了由於大氣中的水滴含有稀薄的鹽分而產生的起電機制。當云滴凍結時,冰的晶格中可以容納負的氯離子(Cl-),卻排斥正的鈉離子(Na+)。因此,水滴已凍結的部分就帶負電,而未凍結的外表面則帶正電(水滴凍結時,是從裏向外進行的)。由水滴凍結而成的霰粒在下落過程中,摔掉表面還來不及凍結的水分,形成許多帶正電的小云滴,而已凍結的核心部分則帶負電。由於重力和氣流的分選作用,帶正電的小滴被帶到云的上部,而帶負電的霰粒則停留在云的中,下部。d。暖云的電荷積累上面講了一些冷云起電的主要機制。在熱帶地區,有一些云整個云體都位於0℃以上區域,因而只含有水滴而沒有固態水粒子。這種云叫做暖云或"水云"。暖云也會出現雷電現象。在中緯度地區的雷暴云,云體位於0℃等溫線以下的部分,就是云的暖區。在云的暖區裏也有起電過程發生。雷雨云的發展過程中,上述各種機制在不同發展階段可能分別起作用。但是,最主要的起電機制還是由於水滴凍結造成的。大量觀測事實表明,只有當云頂呈現纖維狀絲縷結構時,云才發展成雷雨云。飛機觀測也發現,雷雨云中存在以冰,雪晶和霰粒為主的大量云粒子,而且大量電荷的累積即雷雨云迅猛的起電機制,必須依靠霰粒生長過程中的碰撞,撞凍和摩擦等才能發生。閃 電 的 過 程如果我們在兩根電極之間加很高的電壓,并把它們慢慢地靠近。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"弧光放電"現象。雷雨云所產生的閃電,與上面所說的弧光放電非常相似,只不過閃電是轉瞬即逝,而電極之間的火花卻可以長時間存在。因為在兩根電極之間的高電壓可以人為地維持很久,而雷雨云中的電荷經放電後很難馬上補充。當聚集的電荷達到一定的數量時,在云內不同部位之間或者云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/?米,局部區域可以高達1萬伏特/?米。這麼強的電場,足以把云內外的大氣層擊穿,於是在云與地面之間或者在云的不同部位之間以及不同云塊之間激發出耀眼的閃光。這就是人們常說的閃電。肉眼看到的一次閃電,其過程是很復雜的。當雷雨云移到某處時,云的中下部是強大負電荷中心,云底相對的下墊面變成正電荷中心,在云底與地面間形成強大電場。在電荷越積越多,電場越來越強的情況下,云底首先出現大氣被強烈電離的一段氣柱,稱梯級先導。這種電離氣柱逐級向地面延伸,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,在離地面5—50米左右時,地面便突然向上回擊,回擊的通道是從地面到云底,沿著上述梯級先導開辟出的電離通道。回擊以5萬公里/秒的更高速度從地面馳向云底,發出光亮無比的光柱,歷時40微秒,透過電流超過1萬安培,這即第一次閃擊。相隔幾秒之後,從云中一根暗淡光柱,攜帶巨大電流,沿第一次閃擊的路徑飛馳向地面,稱直竄先導,當它離地面5—50米左右時,地面再向上回擊,再形成光亮無比光柱,這即第二次閃擊。接著又類似第二次那樣產生第三,四次閃擊。通常由3—4次閃擊構成一次閃電過程。一次閃電過程歷時約0。25秒,在此短時間內,窄狹的閃電通道上要釋放巨大的電能,因而形成強烈的爆炸,產生沖擊波,然後形成聲波向四周傳開,這就是雷聲或說"打雷"。世界上有些地方,例如:熱帶地區,經常有雷雨發生。一年之中巴拿馬有200天左右會有雷雨;法國則不到25天。雷雨多在下午3點鐘左右發生,因為那時的地面氣溫特別熱。 雷雨的第一階段,是先形成上升氣流,把溫暖潮濕的空氣送到半空。升上去的空氣遇冷,其中水汽凝結而變成云。氣流繼續上升,云也就越積越高,直上更冷的高空,云中的水珠變得更大更重。有的凍結成雪或雹,有的水滴越結越大,就會落下。隨雨而來或是先雨而來的是一陣涼風,警告我們雷雨將至。夏日午後的一陣雷雨,通常都是來得快,去得也快,夾雜著著閃電與雷聲。為什麼會打雷呢 打雷通常是出現在閃電之後,因為光的速度較音速快,而打雷則是空氣中電流摩擦所造成的。城市中的高樓會吸引閃電。不過鋼筋混凝土高樓,遇到暴風雨時,不一定很危險,因為高樓都會加裝避雷針或有其他特別的構造,可以安全的把電流導入地下。起伏的氣流在雷暴云中產生靜電,形成原因雖然無法完全明白,部分的原因可能是因為水分的摩擦和分解。正電荷在云的上端,而負電荷則在下方吸引著地上的正電荷。云和地之間的空氣做了絕緣體,在短暫時間內,阻止力求兩極電荷均衡的電流通過。兩極電荷的電壓大到可沖破絕緣的空氣時,閃電就發生了,而如此也讓電荷相互平衡。有些大雷雨,靜電電壓可高達幾百萬伏特!閃電會發生在云塊或發生在兩堆云中間,有的自上而下,有的自下而上,發生在云塊與地面之間。以全世界來論,閃電擊中地球的次數平均是每秒鐘100次。一塊雷雨云里,正電荷和負電荷分開的兩部分相互吸引,像磁鐵一樣。而阻止兩者的絕緣體是空氣。 大多數閃電都是連擊兩次。第一擊叫做「前導閃擊」,是一股看不見的代電空氣作「前導」,直下到近地面處。這一股帶電的空氣像一條電線,為第二級電流建立一條導路。在前導接近地面的那一剎那,一道「回擊」電流就沿著這條導路跳上來。於是就發生看得到的閃電和聽得到的雷聲,這是第二擊。。