簡介

雷電是伴有閃電和雷鳴的一種雄偉壯觀而又有點(diǎn)令人生畏的放電現(xiàn)象。雷電一般產(chǎn)生于對流發(fā)展旺盛的積雨云中，因此常伴有強(qiáng)烈的陣風(fēng)和暴雨，有時還伴有冰雹和龍卷風(fēng)。

雷電

積雨云頂部一般較高，可達(dá)20公里，云的上部常有冰晶。冰晶的凇附，水滴的破碎以及空氣對流等過程，使云中產(chǎn)生電荷。云中電荷的分布較復(fù)雜，但總體而言，云的上部以正電荷為主，下部以負(fù)電荷為主。因此，云的上、下部之間形成一個電位差。當(dāng)電位差達(dá)到一定程度后，就會產(chǎn)生放電，這就是我們常見的閃電現(xiàn)象。

閃電的的平均電流是3萬安培，最大電流可達(dá)30萬安培。閃電的電壓很高，約為1億至10億伏特。一個中等強(qiáng)度雷暴的功率可達(dá)一千萬瓦，相當(dāng)于一座小型核電站的輸出功率。放電過程中，由于閃電通道中溫度驟增，使空氣體積急劇膨脹，從而產(chǎn)生沖擊波，導(dǎo)致強(qiáng)烈的雷鳴。

帶有電荷的雷云與地面的突起物接近時，它們之間就發(fā)生激烈的放電。在雷電放電地點(diǎn)會出現(xiàn)強(qiáng)烈的閃光和爆炸的轟鳴聲。人們見到和聽到的閃電雷鳴是大氣中的一種自然現(xiàn)象。

雷電種類

雷電分直擊雷、電磁脈沖、球形雷、云閃四種。其中直擊雷和球形雷都會對人和建筑造成危害，而電磁脈沖主要影響電子設(shè)備，主要是受感應(yīng)作用所致；云閃由于是在兩塊云之間或一塊云的兩邊發(fā)生，所以對人類危害最小。

直擊雷就是在云體上聚集很多電荷，大量電荷要找到一個通道來泄放，有的時候是一個建筑物，有的時候是一個鐵塔，有的時候是空曠地方的一個人，所以這些人或物體都變成電荷泄放的一個通道，就把人或者建筑物給擊傷了。直擊雷是威力最大的雷電，而球形雷的威力比直擊雷小。

雷云形成

產(chǎn)生雷電的條件是雷雨云中有積累并形成極性?？茖W(xué)家們對雷雨云的帶電機(jī)制及電荷有規(guī)律分布，進(jìn)行了大量的觀測和試驗(yàn)，積累了許多資料，并提出各種各樣的解釋，有些論點(diǎn)至今還有爭論。

  對流云初始階段的“離子流”假說

大氣中存在這大量的正離子和負(fù)離子，在云中的雨滴上，電荷分布是不均勻的，最外邊的分子帶負(fù)電，里層的帶正電，內(nèi)層比外層的電勢差約高0.25V。為了平衡這個電勢差，水滴就必須優(yōu)先吸收大氣中的負(fù)離子，這就使水滴逐漸帶上了負(fù)電荷。當(dāng)對流發(fā)展開始時，較輕的正離子逐漸的被上升的氣流帶到云的上部；而帶負(fù)電的云滴因?yàn)楸容^重，就留在了下部，造成了正負(fù)電荷的分離。

  冷云的電荷積累

當(dāng)對流發(fā)展到一定階段，云體伸入0℃層以上的高度后，云中就有了過冷水滴、霰粒和冰晶等。這種由不同相態(tài)的水汽凝結(jié)物組成且溫度低于0℃的云，叫冷云。冷云的電荷形成和積累過程有如下幾種：

①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于0℃時也不會凍結(jié)，這種水滴叫過冷水滴。過冷水滴是不穩(wěn)定的，只要它們被輕輕地震動一下，就馬上凍結(jié)稱冰粒。當(dāng)過冷水滴與霰粒碰撞時，會立即凍結(jié)，這叫撞凍。當(dāng)發(fā)生撞凍時，過冷水滴外部立即凍成冰殼，但它的內(nèi)部仍暫時保持著液態(tài)，并且由于外部凍結(jié)放的潛熱傳到內(nèi)部，其內(nèi)部液態(tài)過冷水的溫度比外面的冰殼高。溫度的差異使得凍結(jié)的過冷水滴外部帶上正電，內(nèi)部帶上負(fù)電。當(dāng)內(nèi)部也發(fā)生凍結(jié)時，云滴就膨脹分裂，外表皮破裂成許多帶正電的冰屑，隨氣流飛到云層上部，帶負(fù)電的凍滴核心部分則附在較重的霰粒上，使霰粒帶負(fù)電并留在云層的中下部。

②冰晶與霰粒的摩擦碰撞起電

霰粒是由凍結(jié)水滴組成的，成白色或乳白色，結(jié)構(gòu)比較松脆。由于經(jīng)常有冷水滴與它撞凍并釋放潛熱，它的溫度一般比冰晶高。在冰晶中含有一定量的自由離子（OH-和H+），離子數(shù)隨溫度升高而增多。由于霰粒與冰晶接觸部分存在著溫度差，高溫端的自由離子必然要多于低溫端，因而離子必然從高溫端向低溫端遷移。離子遷移時，帶正電的氫離子速度較快，而帶負(fù)電的較重的氫氧根離子則較慢。因此，在一定時間內(nèi)就出現(xiàn)了冷端氫離子過剩的現(xiàn)象，造成了高溫端為負(fù)，低溫端為正的電極化。當(dāng)冰晶與霰粒接觸后，又分離時，溫度較高的霰粒就帶上了負(fù)電，而溫度較低的冰晶就帶上了正電。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(fù)電的霰粒則停留在云層的下部，因而造成了冷云的上部帶正電而下部帶負(fù)電。

③水滴因含有稀薄鹽分而起電

出了上述冷云的兩種起電機(jī)制外，還有人提出了由于大氣中水滴含有稀薄鹽分而產(chǎn)生起電機(jī)制。當(dāng)云滴凍結(jié)時，冰的晶格中可以容納負(fù)的氯離子，卻排斥正的鈉離子。因此，水滴凍結(jié)的部分帶負(fù)電，而未凍結(jié)的部分帶正電(水滴凍結(jié)時是從里向外進(jìn)行的)。由于水滴凍結(jié)而成的霰粒在下落的過程中，摔掉表面還未來得及凍結(jié)的水分，形成許多帶正電的小云滴，而凍結(jié)的核心部分則帶負(fù)電。由于重力和氣流的分選作用，電正點(diǎn)的小滴被帶到云的上部，而帶負(fù)電的霰粒則停留在云的中、下部。

  暖云的電荷積累

在熱帶地區(qū)，有一些云整個云體都位于0℃以上區(qū)域。因而只含有水滴而沒有固態(tài)水粒子。這種云叫暖云或水云。暖云也會出現(xiàn)雷電現(xiàn)象。在中緯度地區(qū)的雷暴云，云體位于0℃等溫線一下的部分，就是云的暖區(qū)。在云的暖區(qū)里也有起電過程發(fā)生。

在雷雨云的發(fā)展過程中，上述機(jī)制在不同的發(fā)展階段分別起作用。但是，最主要的帶電機(jī)制還是由于水滴凍結(jié)造成的。大量觀測事實(shí)表明，只有當(dāng)云頂呈現(xiàn)纖維狀，絲縷結(jié)構(gòu)時，云彩發(fā)展成為雷雨云。飛機(jī)觀測發(fā)現(xiàn)，雷雨云中存在以冰、雪晶和霰粒為主的大量云粒子，而且大量電荷的積累即雷雨云迅猛帶電機(jī)制，必須依靠霰粒生長過程的碰撞、撞凍和摩擦等才能發(fā)生。

閃電現(xiàn)象

暴風(fēng)云通常產(chǎn)生電荷，底層為陰電，頂層為陽電，而且還在地面產(chǎn)生陽電荷，如影隨形地跟著云移動。陽電荷和陰電荷彼此相吸，但空氣卻不是良好的傳導(dǎo)體。陽電奔向樹木、山丘、高大建筑物的頂端甚至人體之上，企圖和帶有陰電的云層相遇；陰電荷枝狀的觸角則向下伸展，越向下伸越接近地面。最后陰陽電荷終于克服空氣的阻障而連接上。巨大的電流沿著一條傳導(dǎo)氣道從地面直向云涌去，產(chǎn)生出一道明亮奪目的閃光。一道閃電的長度可能只有數(shù)千米，但最長可達(dá)數(shù)百千米。

閃電的溫度，從攝氏一萬七千度至二萬八千度不等，也就是等于太陽表面溫度的3~5倍。閃電的極度高熱使沿途空氣劇烈膨脹。空氣移動迅速，因此形成波浪并發(fā)出聲音。閃電距離近，聽到的就是尖銳的爆裂聲；如果距離遠(yuǎn)，聽到的則是隆隆聲。你在看見閃電之后可以開動秒表，聽到雷聲后即把它按停，然后以3來除所得的秒數(shù)，即可大致知道閃電離你有幾千米。

閃電的類型

閃電通常分為無聲放電和閃電兩類。閃電本身又可以分為片狀閃電、線狀閃電、鏈形閃電和球形閃電等。

最常出現(xiàn)的一種無聲放電是被叫做“愛爾馬圣火”的。由于暴風(fēng)雨等原因，大氣中的電場強(qiáng)度大大地增長起來，在地球表面的突出物體附近，電場強(qiáng)度很容易達(dá)到30kV/cm的強(qiáng)度，導(dǎo)致在突出部分發(fā)生靜寂放電。這是一種并非雷云與大地間放電和沒有雷聲的閃光現(xiàn)象，實(shí)際上就是尖端電暈放電。放電時，突出物周圍會呈冒煙狀或光膜狀的放電現(xiàn)象。當(dāng)電場強(qiáng)度很強(qiáng)時，就會形成單獨(dú)束狀放電，由物體周圍放射出來。這種放電現(xiàn)象對電訊系統(tǒng)有干擾。

片狀閃電 是出現(xiàn)在云的表面上的閃光，它有時可能是被云塊遮沒的火花閃電的延光，也可能是在云的上部發(fā)出來的叢集的、若隱若現(xiàn)的一種特殊的放電作用的光。這種閃電，表示云中電場的能量雖然已經(jīng)足夠產(chǎn)生放電作用，但是新加入的電量卻太少，以致在閃爍放電尚未轉(zhuǎn)變到火花（線狀）放電以前，原有的儲電量已經(jīng)用完了。僅僅伴隨有片狀閃電的雷暴是屬于弱的一類，對電力系統(tǒng)一般只會引進(jìn)不大的感應(yīng)過電壓。

線狀閃電 一般都是一種蜿蜒曲折枝義縱橫的巨型電氣火花，長2-3公里，也有長達(dá)10公里的，是閃電中最強(qiáng)烈的一種，對電力、電訊系統(tǒng)及人畜和建筑物等威脅最大。當(dāng)雷云與大地間或雷云相互間的電場強(qiáng)度由于游離電荷的逐漸累積而增長到足以使空氣絕緣破壞的強(qiáng)度（最高時可達(dá)100kV/m）時，就會產(chǎn)生種強(qiáng)烈的放電現(xiàn)象，在放電的瞬間具有極大的能量，電壓可以積累到1,000-100,000kV以上，放電電流可高達(dá)數(shù)十萬安培，而放電時間只不過千分之幾秒。線狀閃電大多是雷云與大地間的放電，但也有的是雷云之間的放電。這種閃電可以同時擊在不同的地方，一般分為前導(dǎo)放電和主放電等階段。在大多數(shù)情況下（約50-70%以上），雷云與大地間的放電過程不是單一的而是多重的，也就是說由若干個先后在同一通道上發(fā)展的單一的放電所組成。重復(fù)放電的數(shù)目一般為1-27次，單次放電的延續(xù)時間一般為0.001~0.02秒，各次放電的間隔時間為0.01~0.05秒。

鏈形閃電 比較罕見，是一條發(fā)光的虛線，像一條鏈子一樣，在云與大地間放電或云與云間放電時均可能出現(xiàn)。似乎是介于線狀閃電與球形閃電之間的一種過渡形式。

球形閃電 是最奇妙、最罕見和最神秘莫測的一種閃電，由拳頭般大小到足球那樣大的球形發(fā)光體所組成，活動速度不大，可以看到移動，它走的路徑極不規(guī)則，往往與風(fēng)向一致，它出現(xiàn)時，常有尖哨聲或嗡嗡聲，有時會安然地消失，但有時也會發(fā)生可怖的爆炸。它消失時，往往留下具有刺激性的輕煙霧。球形閃電存在的時間可由幾秒到幾分鐘，它能在一個地方停留一些時候，一面冒煙，一面發(fā)出火花，目前，國際上對于球形閃電也還沒有很完善的解釋，科學(xué)家們?nèi)栽谘芯恐小?/P>

閃電除了是一種明亮的電氣火花以外，同時還伴有強(qiáng)大的響聲，這就是雷聲。

雷聲的大小與閃電的強(qiáng)弱相應(yīng)，雷不僅僅是由于空氣在溫度高達(dá)18000℃左右的閃電渠道中因突然而強(qiáng)烈的受熱和隨之而起的急速冷卻，致空氣因急速膨脹和壓縮的振動而發(fā)生的響聲；同時雷也是水和空氣在高電壓（火花）的作用下分解所產(chǎn)生的瓦斯爆炸時發(fā)出的聲音。由于爆炸波的特性、多次放電和聲音來回反射等關(guān)系，雷聲隆隆不絕。云間放電時，雷聲延續(xù)的時間比云與大地間放電的時間短。一般一次閃電的雷聲平均延續(xù)時間約30-40秒，在個別場合下可達(dá)到1分鐘。

襲擊的時間

每時每刻世界各地大約正有1800個雷電交作在進(jìn)行中。它們每秒鐘約發(fā)出600次閃電，其中有100次襲擊地球。

烏干達(dá)首都坎帕拉和印尼的爪哇島，是最易受到閃電襲擊的地方。據(jù)統(tǒng)計(jì)，爪哇島有一年竟有300天發(fā)生閃電。而歷史上最猛烈的閃電，則是1975年襲擊津巴布韋鄉(xiāng)村烏姆塔里附近一幢小屋的那一次，當(dāng)時死了21個人。

雷電發(fā)生的頻率與特性

在任何給定時刻，世界上都有1800場雷雨正在發(fā)生，每秒大約有100次雷擊。在美國，雷電每年會造成大約150人死亡和250人受傷。全世界每年有4000多人慘遭雷擊。在雷電發(fā)生頻率呈現(xiàn)平均水平的平坦地形上，每座300英尺高的建筑物平均每年會被擊中一次。每座1200英尺的建筑物，比如廣播或者電視塔，每年會被擊中20次，每次雷擊通常會產(chǎn)生6億伏的高壓。

每個從云層到地面的閃電實(shí)際上包含了在60毫秒間隔內(nèi)發(fā)生的3到5次獨(dú)立的雷擊，第一次雷擊的峰值電流大約為2萬安培，后續(xù)雷擊的峰值電流減半。最后一次雷擊之后，可能會有大約150安培的連續(xù)電流，持續(xù)時間達(dá)100毫秒。

經(jīng)測量，這些雷擊的上升時間大約為200納秒或者更快。通過2萬安培和200納秒，不難計(jì)算得到dI/dt的值是每秒10^11安培。