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特邀|魏科:雷电知多少?

 weiwarm 2018-08-27


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暴虐的“精灵”

雷电是地球上最常见的天气现象,如果从地球外观测地球的云层,会看到有些云的区域会因闪电而发生明暗起伏现象,与之相关的周边地区也会随之明暗交替,事实上地球上全球每天发生约5万次雷雨,平均每秒钟发生4000次雷电,其中有100次左右的落雷(雷击)。


2014年大名鼎鼎的《Science》发表文章表明,当全球温度增加时,闪电的频次也会增加,具体而言,全球平均温度每升高1摄氏度,闪电的频次增加12 ± 5%,以此估计,到本世纪末,如果温度增加约4摄氏度(RCP85情形),则全球的闪电频次增加约50%。


全球闪电频率分布图(数据单位:次/平方公里/年),闪电主要发生在陆地上,其中非洲中部的刚果是全球闪电次数最多的地区,而南北极几乎没有闪电,全球大洋上的累闪电频次也比较低,数据来自于美国国家航空航天局闪电探测仪(https://visibleearth.)


全球雷电主要发生在陆地上,多发地区为中非、亚马逊流域、南美中央地区、东南亚、北美东部等,其中非洲中部的刚果是全球闪电次数最多的地区,而南北极几乎没有闪电,全球大洋上的 闪电频次也比较低。

 

全球闪电之最却发生在委内瑞拉马拉开波湖的卡塔通博(Catatumbo)河口处,在这个地方一年平均有297天有闪电发生,闪电的频次达到232次/平方公里/年,这是著名的卡塔通博闪电(Catatumbo Lightning)


著名的卡塔通博闪电(Catatumbo Lightning)


其他星球上也存在闪电,目前已经在太阳系的其他行星,例如金星、木星、土星和天王星上观察到了雷电现象。


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形成雷电的三大要素

1)温差

2)上升气流

3)云内的摩擦


雷电的形成过程一般伴随着对流性积雨云的产生,当地面受热膨胀之后,或者因为环流作用,产生较强的上升气流,空气在上升过程中膨胀凝结,形成水滴、冰晶或者霰粒子等,当水滴或者冰粒子增大到一定程度,会产生下降的雨、雪、霰、冰雹等,与上升气流强烈摩擦,从而产生电荷分离,一般冰晶带正电荷,霰粒子等带负电荷,较轻的冰晶被搬运到云的上部,从而使得云的上部分布着正电荷,而云的低层则是带负电的霰粒子。


雷雨云内的电荷分布,一般云顶带正电,而云的低层带负电荷。


当然以上是个理想模式,事实上,在积雨云发展中,气流的分布比较复杂,会形成复杂多变的云内电荷的分布。


在积雨云发展中,气流的复杂分布会形成复杂的电荷分布


按照雷雨云产生闪电的位置,可以把闪电分为四种类型,分别为:1)云闪,发生在雷雨云内部,闪电中的大部分都是云闪;2)地闪,发生在云与地面之间;3)云间闪,发生在云与云之间的闪电;4)云顶向上的放电,这种放电发生在雷雨云和高层大气之间,最高可以到100公里,按照形态和分布,又可以分为蓝色喷流、巨大喷流、红色精灵和淘气精灵等高层闪电。

 

按照放电路径,还可以把闪电分为上行闪电和下行闪电,其中下行闪电是放电路径是从雷雨云指向地面,而上行闪电则是从地面的高层建筑向上的放电路径。在上行放电发生时,高层建筑附近由于静电感应,从而也会出现带电(正电为主)区域,从而产生向上的放电。


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“瘦成一道闪电”

闪电发生时候,常常呈现为明亮的闪电通路,实际上,根据闪电发生时的电量密度、空气密度以及电压变化等,估算闪电包括非发光区域在内的闪电约粗1~40米,但是观测闪电的发光部分,判断闪电发光部分的直径约为3-23厘米,从地面上因为闪电灼烧形成的坑洼直径来看,闪电的能量集中区域不足5厘米,闪电的长度变化比较大,从数百米到数千米,最长的闪电甚至可以达到数百千米,这么长,这么细,说“瘦成一道闪电”,那可真是够瘦的。

 

当雷电发生的时候,闪电的一部分能量会转变为无线电波,冲破电离层,进入到地球磁感线的轨道,传输到另一个半球的上空,这种无线电波被称为“哨声波”,地球周围的闪电哨声可从不间断。



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闪电的能量

发生落雷时,雷雨云与地面之间的电压可以高达1×10^8伏,这样强的电压加速电子,可以使得电子产生1×10^8 eV的能量,在闪电的瞬间,可以把空气温度加热到17000~30000度的高温,这达到太阳表面温度的3~5倍,极度的高热量使沿途空气剧烈膨胀,剧烈移动的空气形成轰隆的雷声。

 

一次落雷的电功率可达10×10^9MW(兆瓦,1000千瓦),比较下家里洗衣机和微波炉等也就大概1000W左右,但是雷电的持续时间非常短,以此来计算它的平均电功率总量(能量)大约为300 kW·h (度),300度电,可以供普通家庭用1~2个月,而一次雷雨过程的短短几个小时里,闪电次数甚至可以达到5000次以上,雷电的能量之强可见一斑。

 

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雷击

雷电直接从雷雨云指向地面,落雷的目标不限于金属物和高层建筑,还包括人、动物、树木、水泥、大地、河流、海岸等,并且与目标物是否容易导电关系不大,这是因为目标在雷雨云的电力作用下发生了静电感应,产生了感应电荷,从而构成了落雷电流。


一个地方雷击的发生次数,可以做个简单的估计,大概为一年中雷雨天数的10%左右,假设某个地方每1平方公里年雷雨天数是30天,那么当地发生雷击的次数便是3次左右,我国南方云南、广西、广州、贵州等地年雷雨天数基本为30天左右,所以这些地方产生每年3次左右的雷击基本上是个常态,而华北等地每年雷雨天数在10-15天左右,所以平均每年都有一次雷击,所以建筑防雷和户外避雷是必须要考虑的事情。


帝国大厦是纽约著名的高层建筑,1931年5月建成的时候,楼高381米,1950年增加天线以后,高度达到433米,长期占据世界高层建筑榜首,每年约有250万游客访问,有关人员对帝国大厦的落雷状况进行了14年的调查研究,发现14年里帝国大厦总共落雷在300次以上,平均每年21.43次。美国另一项研究表明,年雷雨天数32天的地方,150米以上的建筑物发生落雷的比例接近90%,高度越高,落雷次数越多。另外一个高层建筑加拿大国家电视塔,塔高553米,建于1976年,每年光冬季的落雷次数就达到40次。


在雷击发生时,无论是直击还是感应,都容易产生沿着电线传播的过电压或者过电流脉冲,这被称作雷击浪涌,会对电器有极大的破坏,烧毁设备,甚至酿成火灾,人若在这个时候接触或靠近电器设备也会被击伤、烧伤。



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如何避雷?

当高空形成雷雨云时,雷雨云下方地面附近的导体或者绝缘体都会产生静电,被这种静电覆盖的地方离雷雨云越近,该地方就容易产生落雷,如果人站在空旷的户外,就有可能形成局地的最高点,成为雷击的对象。

 

由于高大的建筑会成为雷击的首要对象,因此要找到安全的避难所,例如车辆、建筑之内,或者洞穴等可以避免直接遭受雷击的地方。


如果在户外遭遇雷雨天气,尽量避开铁塔、烟囱、电线杆等高大物体,不要靠近空旷地带或山顶上的孤树,不在孤立的棚子和小屋里避雨,这些地方都有可能形成局地高点,成为雷击的对象。



避雷的核心


  1. 听雷声,人能够听见雷声的范围约为10公里,因此当听见雷声的时候,就意味着雷雨云在距离头顶1~10公里的范围内,哪怕是微弱的雷声,也是危险的信号,这时候应该立刻转移到安全的地方。

  2. 看乌云,如果厚厚的黑云在头顶蔓延,说明雷雨云距离观察点非常近了,头顶正在聚集着雷电需要的电荷,不久就会有疾风骤雨,有时候雷电还会在风雨来临前提前发生。

  3. 收音机,如果用中波或者短波收音机,听到信号里“咔嚓咔嚓”的灵星噪声,如果噪声间隔时间变短,并且激烈且连续,那意味着雷正在接近。

  4. 登山,发现雷的前兆时,应该远离山顶、山脊和岩地,寻找凹地,并将身体放平,等待时机,不要把雨伞、三脚架等金属物体从身体凸出去。

  5. 户外,保持距离大树树枝枝尖、树叶叶尖2米以上,不靠近高树林的边缘、电线、旗杆的周围和干草堆、帐篷等,不在铁轨、长金属栏杆和其它庞大的金属物体近旁

  6. 海岸和海上,如果在海边游泳,看见有雷雨云形成的征兆,不要呆在开阔的水域和小船上,要立刻上岸到建筑物或者车内躲避,建筑物是由钢筋水泥构造的为宜。

  7. 留意雷电预警等气象信息,夏季的雷雨云多形成于下午到傍晚时段,如果登山计划或其他户外活动,尽量安排在早晨出发,中午到达目的地。


被雷击中的受伤者,常常会发生心脏停跳和呼吸停止,要立即组织现场抢救,利用“关键5分钟”进行心肺复苏术及人工呼吸,并通知医院进行抢救。


雷电

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