试论各种雷电成因.doc

试论各种雷电成因 夏季是黄石的多雨季节，而且也是雷雨的多发季。雷电给人美感的同时，也会对个别建筑、动植物造成极大危害，中国地大物博，因此雷电“劈死人”的状况更是不新鲜了。要对雷电加以了解、防范甚至利用，弄清楚它的成因无疑是重要的。 以下是被闪电劈坏的树木图片： 以下是现在公认的对雷电（闪电）的解释： 闪电，在大气科学中指大气中的强放电现象。在夏季的雷雨天气，雷电现象较为常见。它的发生与云层中气流的运动强度有关。有资料显示，冬季下雪时也可能发生雷电现象，即雷雪，但是发生机会相当微小。若有严重的火山爆发时，或是原子弹爆炸产生昙状云，空中可能因短路而发生闪电。 闪电的放电作用通常会产生电光。雷电起因一般被认为是云层内的各种微粒因为碰撞摩擦而积累电荷，当电荷的量达到一定的水平，等效于云层间或者云层与大地之间的电压达到或超过某个特定的值时，会因为局部电场强度达到或超过当时条件下空气的电击穿强度从而引起放电。空气中的电力经过放电作用急速地将空气加热、膨胀，因膨胀而被压缩成等离子，再而产生了闪电的特殊构件雷（冲击波的声音）。目前对于放电具体过程的认识还不能透彻明白，一般被认为和长间隙击穿的现象相类似。 闪电的电流很大，其峰值一般能达到几万安培，但是其持续的时间很短，一般只有几十微秒。所以闪电电流的能量不如想象的那么巨大。不过雷电电流的功率很大，对建筑物和其他设备尤其是电器设备的破坏十分巨大，所以需要安装避雷针或避雷器等以在一定程度上保护这些建筑和设备的安全。 以下是几种闪电的图片： 闪电按其在空气中发生的部位，大概可分为云中、云间或云地之间三大种类放电。云中放电占闪电的绝大多数，云地之间放电者则是对人类的生产和生活产生影响的主要形式。 云中放电(英语：in-cloud lightning）： 在0℃层以上，即空气温度下降到冰点的高度以上，云内的液态水变成冰晶和过冷却水滴（达0℃却来不及凝结就落下的水滴）。由于空气的密度不同，造成了空气对流，在这些水滴或冰晶摩擦碰撞的过程中产生电荷。如云内出现两个足够强的相反电位，带正电的区域就会向带负电的区域放电，结果就产生了云内闪电（in-cloud lightning）或云间闪电（cloud-to-cloud lightning）。风暴细胞内八成的放电过程属于这种类型。 云地之间放电 云地之间放电(英语：cloud-to-ground lightning）： 这是最广为研究的类型，主要是因为它们对人们的生命财产有极大的威胁性。 在一次正常的闪电前，云里的电荷分布是这样的：在底部是较少的正电荷，在中下是较多的负电荷，在上部是较多的正电荷。闪电由底部和中下部的放电开始。电子从上往下移动，这一放电由上向下呈阶梯状进行，每级阶梯的长度约为50米。两级阶梯间约有50微秒的时间间隔。每下一级，就把云里的负电荷往下移动一级，这称为阶梯先导（英语：stepped leader），平均速率为1.5×105米/秒，约为光速的两千分之一，半径约在1到10米，将传递约五库仑的电量至地面。当阶梯先导很接近地面时，就像接通了一根导线，强大的电流以极快的速度由地面沿着阶梯先导流至云层，这一个过程称为回击，约需70微秒的时间，约为光速的三分之一至十分之一。典型的回击电流强度约为一至两万安培。如果云层带有足够的电量，又会开始第二次的阶梯先导。 雷电击又分为负雷电击（英语：negative stroke）及正雷电击（英语：positive stroke），也就是由云层往地面传下来的是正电荷。正雷电击的发生机率比负雷电击小，但携带的电量会比负雷电击大，曾测量到的最大值为300库仑。正雷电击通常只有一击，有第二击的正雷电击相当少见（因为云层内靠近地面的正电荷较少）。 云间放电： 云间放电是一种很少发生的闪电，它在二个或更多完全分离的积雨云中放电。 云中电荷分离的现象至目前为止还是研究中的课题，有很多假说被提出来试图解释此一现象发生的原因。 1.静电感应假说 根据静电感应假说，至今仍未充分了解电荷的分离过程，不过似乎总要有很强的上升气流将小水滴抬升，使它们产生过冷至摄氏-10度到-20度。这些过冷的小水珠会和冰晶相碰撞产生柔软的冰水混合物—软雹（英语：graupel），这些碰撞会使冰晶带有正电、软雹带有负电。此时上升气流会继续将较轻的冰晶(带正电)抬升，软雹则因较重而落至云的中下层，进而造成云层上半部带正电，下半部带负电的电荷分离现象。 此电荷分离过程使云间的电位差不断增加，直到足以释放而形成闪电。 2.极化假说 极化机制分为两个部份： 掉落中的冰晶和小水珠通过地球的环境电场（英语：Earths natural electric field）会产生电极化的现象。 碰撞中的冰粒会因静电感应而带电。 参考： ^ John E. Oliv