本周的科学电台又如期与大家见面啦!

继高温、暴雨、冰雹各种预警刷屏后,又出现广州“下开水”事件和北京晒黑加中暑事件,这个夏天可真是丰富多彩呢!

因此!本期节目将带大家走进雷电的世界~

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“电闪雷鸣”中闪电和打雷之间有什么关系?

闪电是光学现象,而打雷是我们耳朵听到的,是声学现象,它们之间关系可谓是相当密切,闪电传输速度为光速,而雷声的传播速度约为340m/s。观测者可以凭借闪电和光产生的时差判断自己距离雷电发生处的距离。一次闪电如果超前于雷声1s,则表明雷电发生点距观察者大约340m,如果延迟为3s,则距离大概为1km。如果雷电距离观测者很近,甚至可能会伴随着臭氧的味道呢。简单粗暴地说,只要有闪电就会有雷声。


打雷和闪电的物理机制是什么?

雷电发生区的空气,因高温在短时间内被加热为了等离子态,而分子动理论表明,在这种情况下,气态分子压强瞬间增大从而导致闪电区域的冲击性声波的产生。声波的源头并不是单个点源,而是分布在沿闪电的传播路径上,因此从听到雷声的人的角度来看,声音的效果便变成了隆隆声。那说得稍微通俗一点呢,就是闪电在击穿通道上可由于电热效应将通道加热至18000℃左右,在通道上因突然而强烈的受热和随之而起的急速冷却,使空气因极速膨胀和压缩,震动发出声响,这就是解释了为什么有闪电就会有雷声。


而闪电时产生的亮光其实就是雷光,是闪电的强大电流使得通道内组成气体分子的离子或原子被激发到高能级,在能级跃迁的时候会产生光辐射。


按形状对闪电进行分类

Forked lightning被称为线状闪电、枝状闪电、叉状闪电。

线状闪电


这种闪电多是分岔的枝条状而非平直的线条状,它是一些非常明亮的白色、粉红色或淡蓝色的亮线,它和河流一样有一条主干和多条不规则的细密分枝。可以用连续高速的照相机完整地记录线形闪电的全过程,实验室里也能成功地对它进行模拟实验。与其它闪电不同的,线形闪电的电流强度特别大,平均可以达到几万安培,在少数情况下可达20万安培。强大的电流强度,可以毁坏和摇动大树,有时还能伤人。当它接触到建筑物的时候,常常造成"雷击"而引起火灾。


究其形成原因来自荷兰阿姆斯特丹CWI研究所的科学家介绍说,闪电中有两种不同的媒介,即中性气体和一个充斥着电离气体的“通道”。在放电过程中,通道会在“最佳时间”形成一个理想导体,也就是说电流可以在其中无阻力的流动。在同一时刻,电离气体和中性气体原本存在的界限不稳定,两种气体“交融”,因而出现了分岔的枝条状现象。科学家还解释说,大气中的放电过程是否会出现分枝现象取决于电场的强度。如果电场强度大,即使阴极和阳极气体之间只是相隔数毫米,也可能迅速形成“枝繁叶茂”的闪电现象。



Sheet lightning被称为片状闪电。

片状闪电


片状闪电也是一种比较常见的闪电形状。它看起来好像是在云面上有一片闪光。这种闪电可能是云后面看不见的火花放电的回光,或者是云内闪电被云滴遮挡而造成的漫射光,也可能是出现在云上部的一种丛集的或闪烁状的独立放电现象。



Ball lightning被称为球状闪电。   

球状闪电

球状闪电是一种十分罕见的闪电形状, 多半在强雷雨的恶劣天气里才会出现,民间则常称之为滚地雷,是很难被人看见的。事实上,只有数次成功拍摄为照片的记录。但因为它独特的外形却最引人注目。球形闪电通常被形容做一个在空中漂浮的发光球体。它们移动速度不定,甚至可能出现静止的状态。有时候会发出咝咝的爆裂声,甚至有些球状闪电在穿过窗户后爆裂开来消失了。它一般发生在线状闪电之后,球状闪电的平均直径为25厘米,大多数在10~100厘米之间,小的只有0.5厘米,最大的直径达数米,发出红色或桔黄色的光,偶尔发出美丽的绿色,一般寿命只有1~5秒,最长的可达数分钟。



Ribbon lightning被称为带状闪电。

带状闪电    


带状闪电是由连续数次的放电组成,在各次闪电之间,闪电路径因受风的影响而发生移动,使得各次单独闪电互相靠近,形成一条带状。带的宽度约为10米。这种闪电如果击中房屋,可以立即引起大面积燃烧。那上文中提到的球形闪电,片形闪电也可以说是带状闪电的一种。



Bead lightning被称为珠状闪电、链状闪电或联珠状闪电。

珠状闪电


各种闪电中,最罕见的是联珠状闪电,应该说世界上绝大多数人都未曾见过它。这种闪电看起来好像一条在云幕上滑行或者穿出云层而投向地面的发光点的连线,也像闪光的珍珠项链。有人认为联珠状闪电好像是从线状闪电到球状闪电的过渡形式。联珠状闪电往往紧跟在线状闪电之后接踵而至,几乎没有时间间隔。也有人提出的解释有:部分闪道朝目击者或离目击者倾斜,因而显得更加光亮;雨或云使部分闪道变暗;截面半径大的闪道比半径小的冷却要慢。由于联珠状闪电出现的机会极少,维持的时间也极短,因此人们对这种闪电研究得很少,形成的原因尚不清楚。


1916年联珠状闪电


1916年5月8日在德国德累斯顿城市的一所钟楼上空,曾发生过一次联珠状闪电,并作了记载。人们首先看到一个线状闪电从云低伸下来;其后,人们看见线状闪电的通道变宽,颜色也由白色变为黄色。不久闪电通道渐渐变暗,但整个通道不是在同时间均匀地变暗,因此明亮的通道变成一串珍珠般的亮点,从云间垂挂下来,美丽动人,人们估计亮珠有32颗,每颗直径为5米。之后,亮珠逐渐缩小,形状变圆;最后亮度愈来愈暗,后完全熄灭。

 

其他还有许多有趣的以形态命名的闪电就不一一介绍了~

An illustration of different kinds of transient luminous events


按其在空气中的发生位置对雷电分类

雷电在空气中发生的位置


云中放电

发生在Trumbull County Ohio 的帧数很高的慢放视频


是指在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,会产生空气对流,对流时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,结果就产生了我们所说的云中放电。风暴内八成的放电过程属于这种类型。


云间放电

云间闪电


它是在二个或更多完全分离的积雨云中放电,这种闪电其实是比较罕见的。


云地之间放电

云地闪


是最广为研究的类型,这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,云里的电荷分布为底部是较少的正电荷,中下是较多的负电荷,而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,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。之前提到的线状闪电多数是云对地的放电。


云中电荷分布示意图


雷电成因示意图

雷电成因

图片来源

http://www.atmo.arizona.edu/students/courselinks/fall06/nats101s2/lecture_notes/nov27.html

亚利桑那大学水文和大气科学学院课程网站手绘风格雷电讲解图


上图描绘了水汽分子之间碰撞产生的电荷为雷电的形成提供了必要条件,这种现象主要发生在云的中层。霰粒与雪晶(冰晶)相互摩擦碰撞之后,霰粒带负电荷,而雪晶(冰晶)带正电荷。由于霰粒质量较大,没有随上升气流运动,形成云层中间的负电层。而质量较轻的雪晶(冰晶)被上升气流带到了云的上部并使得上层云层带正电荷,由此在气温低于零下15摄氏度的云层上部形成正电层。当在气温高于零下15摄氏度的下层(仍可以使水汽分子保持固态),由于温度较高和降水现象,有一个较小的正电荷中心。由此产生了正负电荷中心的云内分层结构。而大地可以看作带正电荷。当云层中电荷中心间的电势到达一定强度便会产生雷电现象。大多数(约2/3)雷电在上层的正电荷区和中层的负电荷区之间产生,这叫做云间闪电。大约1/3的闪电会到达地面,这叫做云地间放电。

 

下期预告

什么东西比较容易被雷劈?

八一八与雷电有关的奇闻怪谈~

雷电的危害和作用都有哪些呢?

蕴含着巨大能量的雷电,可不可以为人们所用?

 

如果你有关于雷电的故事和疑问,也可以在后台给我们留言~我们将会在评论区或下期节目中和大家一起继续探讨神秘的雷电力量~


参考文献

https://en.wikipedia.org/wiki/Lightning

https://en.wikipedia.org/wiki/Harvesting_lightning_energy

http://www.physics.org/facts/toast-power.asp

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/lightning2.html

http://science.howstuffworks.com/environmental/energy/harvest-energy-lightning.htm

https://engineering.mit.edu/engage/ask-an-engineer/is-there-a-way-to-harness-electricity-from-lightning/

http://wls.iphy.ac.cn/emagazine/news.php?id=22082

http://www.guokr.com/question/486413/

http://www.guokr.com/question/553184/


编辑:吉星


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作者:佚名
来源:中科院物理所