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打雷和闪电

当天空乌云密布,雷雨云迅猛发展时,突然一道夺目的闪光划破长空,接着传来震耳欲聋的巨响,这就是闪电å和打雷,亦称为雷电å。雷属于大气声学现象,是大气中小区域强烈爆炸产生的冲击波形成的声波,而闪电则是大气中发生的火花放电现象。

闪电å和雷声是同时发生的,但它们在大气中传播的速度相差ๆ很大,因此人们总是先看到闪电然后才听到雷声。光每秒能走3๑0公里,而声音只能走340米。根据这个现象,我们可以从看到闪电起到听到雷声止,这一段时间的长短,来计算闪电å发生处离开我们的距离。假如闪电å在西北方,隔10秒听到了雷声,说明这块雷雨距离我们约有340่0米远。

闪电通常是在有雷雨云时出现,偶尔也在雷暴、雨层云、尘暴、火山爆发时出现。闪电的最常见形式是线状闪电,偶尔也可出现带状、球状、串球状、枝状、箭状闪电等等。线状闪电å可在云内、云与云间、云与地面间产生,其中云内、云与云间闪电å占大部分,而云与地面间的闪电仅占六分之一,但其对人类危害最大

闪电的过程

如果我们在两ä根电å极之间加很高的电å压,并把它们慢慢地靠近。当两根电极靠近到เ一定的距离时,在它们之间就会出现电火花,这就是所谓“弧光放电å”现象。

雷雨云所产生的闪电,与上面所说的弧光放电å非常相似,只不过闪电是转瞬即逝,而电å极之ใ间的火花却可以长时间存在。因为在两根电极之间的高电å压可以人为地维持很久,而雷雨云中的电荷经放电后很难马上补充。当聚集的电荷达到一定的数量时,在云内不同部ຖ位之间或者云与地面之间就形成了很强的电场。电场强度平均可以达到几千伏特/厘米,局部区域可以高达1้万伏特/厘米。这么强的电场,足以把云内外的大气层击穿,于是在云与地面之间或者在云的不同部ຖ位之间以及不同云块之间激发出耀眼的闪光。这就是人们常说的闪电。

肉眼看到的一次闪电,其过程是很复杂的。当雷雨云移到某处时,云的中下部是强大负电å荷中心,云底相对的下垫面变成正电å荷中心,在云底与地面间形成强大电å场。在电å荷越积越多,电场越来越强的情况下,云底首先出现大气被强烈电离的一段气柱,称梯级先导。这种电离气柱逐级向地面延伸,每级梯级先导是直径约5米、长50米、电流约10่0安培的暗淡光柱,它以平均约15000่0米秒的高速度一级一级地伸向地面,在离地面5๓─50米左右时,地面便突然向上回击,回击的通道是从地面到เ云底,沿着上述梯级先导开辟出的电å离通道。回击以5万公里秒的更高速度从地面驰向云底,发出光亮无比的光柱,历时40微秒,通过电流超过1万安培,这即第一次闪击。相隔几秒之后,从云中一根暗淡光柱,携带巨大电流,沿第一次闪击的路径飞驰向地面,称直窜先导,当它离地面5─50米左右时,地面再向上回击,再形成光亮无比光柱,这即第二次闪击。接着又类似第二次那样产生第三、四次闪击。通常由3─4次闪击构成一次闪电过程。一次闪电å过程历时约0่25秒,在此短时间内,窄狭的闪电通道上要释放巨大的电å能,因而形成强烈的爆炸,产生冲击波,然后形成声波向四周传开,这就是雷声或说“打雷”。

闪电的成因

雷暴时的大气电å场与晴天时有明显的差ๆ异,产生这种差异的原因,是雷雨云中有电荷的累积并形成雷雨云的极性,由此产生闪电而造成大气电å场的巨大变化。但是雷雨云的电是怎么来的呢?๣也就是说,雷雨云中有哪些物理过程导致了它的起电?为什么雷雨云中能够累积那么多的电荷并形成有规律的分布๧?本节将要回答这些问题。前面我们已๐经讲过,雷雨云形成的宏观过程以及雷雨云中发生的微物理过程,与云的起电å有密切联系。科学家们对雷雨云的起电å机制及电å荷有规律的分布,进行了大量的观测和实验,积累็了许多资料并提出了各种各样的解释,有些论点至今也还有争论。归纳起来,云的起电å机制主要有如下几种:

a对流云初始阶段的“离子流”假说

大气中总是存在着大量的正离子和负离子,在云中的水滴上,电å荷分布是不均匀的:最外边的分子带负电,里层带正电,内层与外层的电å位差约高0.25伏特。为了平衡这个电å位差,水滴必须“优先’吸收大气中的负离子,这样就使水滴逐渐带上了负电荷。当对流发展开始时,较轻的正离子逐渐被上升气流带到เ云的上部;而带负电的云滴因为ฦ比较重,就留แ在下部,造成了正负电å荷的分离。

b冷云的电荷积累

当对流发展到一定阶段,云体伸入0cນ层以上的高度后,云中就有了过冷水滴、霰粒和冰晶等。这种由á不同相态的水汽凝结物组成且温度低于0c的云,叫冷云。冷云的电荷形成和积累过程有如下几种:

a冰晶与霰粒的摩擦碰撞起电

霰粒是由á冻结水滴组成的,呈白色或乳຃白色,结构比较松脆ะ。由于经常有过冷水滴与它撞冻并释放出潜热,故它的温度一般要比冰晶来得高。在冰晶中含有一定量的自