閃電
 |
閃電，俗稱雷電。一般是專指對流層大氣放電的現象，是靜電放電現象的一種。當空氣作為一種介質時，空氣中的各種微粒互相碰撞和摩擦便會使該空氣介質兩面的正負電荷的量持續積累，這時加於該空氣介質的電壓也會同時增加，當局部電壓達到當時條件下空氣的擊穿電壓時，該空氣介質的局部便會發生電擊穿而持續成為電漿體，使電流能夠通過原本絕緣的空氣。這時通過空氣的電流也會將空氣急劇加熱，使空氣膨脹而產生雷聲[1]。
閃電的電流很大，其峰值一般能達到幾萬安培，但是其持續的時間很短，一般只有幾十微秒。由於持續時間短，閃電輸送的能量相對不大，不過閃電的功率卻可以很大。在夏季的潮濕的天氣下，豐富的水份子會令該空氣介質所要求的擊穿電壓降低，因此較易發生閃電，而冬季下雪時也是同一情況。概括而言，當某介質的擊穿電壓因該介質的性質改變而下降，便有較大機會發生放電現象。
發生因素
[編輯]上升氣流會把小水滴抬升，使它們產生過冷至攝氏-10度到-20度。這些過冷的小水珠會和冰晶相碰撞產生柔軟的冰水混合物—軟雹，這些碰撞會使冰晶帶有正電、軟雹帶有負電。此時上升氣流會繼續將較輕的冰晶（帶正電）抬升，軟雹則因較重而落至雲的中下層，進而造成雲層上半部帶正電，下半部帶負電的電荷分離現象。此電荷分離過程使雲間的電位差不斷增加，直到足以釋放而形成閃電。掉落中的冰晶和小水珠通過地球的自然電場會產生電極化的現象。碰撞中的冰粒會因靜電感應而帶電。
類型
[編輯]
按其在空氣中發生的部位，大概可分為雲中、雲間或雲地之間三大種類放電。雲中放電佔閃電的絕大多數，雲地之間放電者也叫地閃，是對人類的生產和生活產生影響的主要形式。
雲中放電，在0℃層以上，即空氣溫度下降到冰點的高度以上，雲內的液態水變成冰晶和過冷卻水滴（達冰點卻來不及凝結就落下的水滴）。由於空氣的密度不同，造成空氣對流，在這些水滴或冰晶摩擦碰撞的過程中產生電荷。如雲內出現兩個足夠強的相反電位，帶正電的區域就會向帶負電的區域放電，結果就產生了雲內閃電或雲間閃電。風暴內八成的放電過程屬於這種類型。
雲地之間放電是最廣為研究的類型，主要是因為它們對人們的生命財產有極大的威脅性。在一次正常的閃電前，雲裡的電荷分布是這樣的：在底部是較少的正電荷，在中下是較多的負電荷，在上部是較多的正電荷。閃電由底部和中下部的放電開始。電子從上往下移動，這一放電由上向下呈階梯狀進行，每級階梯的長度約為50米。兩級階梯間約有50微秒的時間間隔。每下一級，就把雲裡的負電荷往下移動一級，這稱為階梯先導，平均速率為1.5×105公尺/秒，約為光速的兩千分之一，半徑約在1到10公尺，將傳遞約五庫侖的電量至地面。當階梯先導很接近地面時，就像接通了一根導線，強大的電流以極快的速度由地面沿著階梯先導流至雲層，這一個過程稱為回擊，約需70微秒的時間，約為光速的三分之一至十分之一。典型的回擊電流強度約為一至兩萬安培。如果雲層帶有足夠的電量，又會開始第二次的階梯先導。
雷電擊又分為負雷電擊及正雷電擊，也就是由雲層往地面傳下來的是正電荷。正雷電擊的發生機率比負雷電擊小，但攜帶的電量會比負雷電擊大，曾測量到的最大值為300庫侖。正雷電擊通常只有一擊，有第二擊的正雷電擊相當少見（因為雲層內靠近地面的正電荷較少）。
雲間放電是一種更常發生的閃電，它在二個或更多完全分離的積雨雲中放電。
球狀閃電通常被形容做一個在空中漂浮的發光球體。它們移動速度不定，甚至可能出現靜止的狀態。有時候會發出噝噝的爆裂聲，甚至有些球狀閃電在穿過窗戶後爆裂開來消失了。有很多目擊者都描述球狀閃電，但是奇怪的是，氣象學家很少記錄到它們。研究顯示出多宗球狀閃電多會發生在無暴風雨及閃電的情況之下。球狀閃電是很難被人看見的。事實上，只有數次成功拍攝為照片的記錄。聖艾爾摩之火是被富蘭克林正式評定為自然界中的電力。這是與球狀閃電完全不同的。
珠狀閃電又稱「鏈狀閃電」，一種長時間的閃電的形式，表現為一串發光段而不是連續的閃道。它很少發生，但被多次觀測到。其原因還不清楚，但提出的解釋有：部分閃道朝目擊者或離目擊者傾斜，因而顯得更加光亮；雨或雲使部分閃道變暗；截面半徑大的閃道比半徑小的冷卻要慢。
枝狀閃電，常見的閃電多是分岔的枝條狀而非平直的線條狀，其中的奧妙人們卻不甚了解。荷蘭科學家最近解釋說，大氣放電過程中存在兩種氣體，因而放電時如同兩種不同黏度的液體混合，最終會產生分岔的枝條形狀。
來自荷蘭阿姆斯特丹CWI研究所的科學家曼努埃爾·艾里亞斯與同事介紹說，閃電中有兩種不同的媒介，即中性氣體和一個充斥著電離氣體的「通道」。在放電過程中，通道會在「最佳時間」形成一個理想導體，也就是說電流可以在其中無阻力的流動。在同一時刻，電離氣體和中性氣體原本存在的界限不穩定，兩種氣體「交融」，因而出現了分岔的枝條狀現象。科學家解釋說，這一現象類似兩種不同黏度的液體互相滲透出現的結果。
科學家還解釋說，大氣中的放電過程是否會出現分枝現象取決於電場的強度。如果電場強度大，即使陰極和陽極氣體之間只是相隔數毫米，也可能迅速形成「枝繁葉茂」的閃電現象。
閃電還會把范艾倫輻射帶清出安全狹槽，所以一般衛星都飛在此區，比較不受放射線破壞。而有科學家認為閃電一般只有百萬伏特，是不能穿過大氣（絕緣體），但科學家發現宇宙射線會破壞大氣分子產生X射線外，還會讓大氣變得較易導電，所以閃電發生和宇宙射線也有關。
過程
[編輯]此處以地閃過程舉例，簡要介紹一次閃電的完整過程。
先導
[編輯]閃電發生前，在地面和雲中會出現尖端放電，促進閃電通路的形成，這樣的電荷流動稱為「先導」。初步形成的「先導」會有很多級，也叫「梯級先導」。
回擊
[編輯]當閃電通路形成時，就會有強大的電流自地面向上穿過天空，發出耀眼的輝光，這一過程就是「回擊」。梯級先導+回擊構成閃電的第一次脈衝放電。
多次閃擊
[編輯]回擊發生後閃電通路仍然存在，因此如存在未被完全釋放的電荷，雲層中和地面上將再次產生「先導」，並且不再「逐級」發展，而是直接沿此前的通路發展，稱為「直竄先導」，兩側接通後即發生後續的閃擊。一次負地閃可以有多次閃擊。一次正地閃則往往只有一次閃擊。
紀錄
[編輯]在地球上閃電頻率的一個比較古老估計是每秒鐘100次。現今人類可以用人造衛星查出閃電的頻率，包括觀察在沒有人煙居住的地方，可知的發生閃電紀錄是平均一秒鐘44 ± 5次，全年幾乎總共發生閃電次數為10.4億次的閃電。[2][3]這些閃電中有百分之七十五是雲間放電（雲對雲閃電），百分之二十五為雲地放電（雲對地閃電）。[4]
因為閃電需要介質，所以閃電不可能在真空內出現。但在其他行星的大氣層內有偵測到過閃電，如金星及木星。人們估計木星上的閃電比地球上的閃電強100倍左右，但是發生頻率只有地球上閃電的十五分之一。至於金星閃電的具體情況現在還在爭論中。在70年代到80年代中前蘇聯的金星號和美國的先驅者計劃中，資料顯示在金星的上層大氣中發現了閃電，但是卡西尼—惠更斯號經過金星的時候卻沒有發現任何閃電的發生。
影響
[編輯]一般農夫隻身在空曠地下田，就具有尖端放電的效果（避雷針就是運用此一的原理，並且做到接地的功能），很容易成為雷電擊中的目標。閃電破壞力很大，若擊中人體，身上的水分會瞬間蒸發，並可擾亂人的心跳而致人於死地，也會使人燒焦，稱為雷殛。就算因為身上金屬飾品的誘導而沒有被正面擊中，也可以把電力透過地面傳送到人體，死亡率為10%~30%。若在森林發生，有可能造成森林大火，而若在沒有保護措施的情況下，電器用品被擊中時可能會發生爆炸或是跳電等情形。飛機雖然因為金屬外皮的導電性，可免於電流流入內部，但若過於強大會有可能影響儀器的使用而導致問題發生。
而閃電擦過絕緣體或高電阻物品時，會產生熱效應，形成大量熱，燃燒該物品。
參考
[編輯]附註
[編輯]- ^ 雷电知识：雷声是怎么产生的？. [2019-10-26]. （原始內容存檔於2019-10-26）.
- ^ Oliver, John E. Encyclopedia of World Climatology. Springer Science & Business Media. 2008-04-23: 452 [2021-05-02]. ISBN 978-1-4020-3264-6. （原始內容存檔於2021-05-20） （英語）.
- ^ Annual Lightning Flash Rate. National Oceanic and Atmospheric Administration. [February 8, 2009]. （原始內容存檔於2008-03-30）.
- ^ Where LightningStrikes. NASA Science. Science News. December 5, 2001 [July 5, 2010]. （原始內容存檔於2011-08-23）.
參見
[編輯]延伸閱讀
[編輯][在維基數據編輯]
