漫谈雷电及雷电天气及相关机理探究

漫谈雷电及雷电天气随着人类社会的发展，人们对环境的影响也越来越大。

自然灾害性天气越来越多，也越来越严重。

雷电天气就是其中之一，每年由于雷击造成的人员、财产损失都非常大。

例如：今年夏季重庆市开县一小学两间教室由于雷击造成当场7人死亡、2人重伤、其余几十人昏迷的惨剧。

因此，普及有关雷电知识加强雷电防范就显得越来越重要。

一、雷电的形成：（一）积雨云的形成：雷电是一种剧烈的大气放电现象，通常发生在积雨云当中。

这类积雨云又叫雷暴云，它是由于地面的热空气携带大量水汽不断升到空中所致。

它的形成必须具备三个条件：一是空中要有充足的水汽。

二是强烈的空气上升运动，空气上升绝热膨胀降温，空气中的水汽含量容易达到饱和和过饱和状态，“多余”的水汽便容易凝结成云了。

三是环境能不断提供云体增长的能量（层结不稳定）。

在夏季的午后，空气潮湿，太阳辐射增强，温度快速升高，暖湿气流迅速上升，天气闷热无风，若闷热得很厉害，淡积云快速发展成浓积云和积雨云，就会出现雷暴。

一次雷暴过程并不只是一块雷暴云，而往往是由几个或更多个处于发展阶段的雷暴单体所组成。

这些单体虽处于同一个雷暴云里，但每个单体内的环流一般是独立存在的。

在每个单体之间，一般都有空隙，这里上升气流很弱，或有下沉气流。

这些多单体的雷暴云所包含的每个单体也不是固定不变的，而处于不断新生和消失的新陈代谢过程中。

因此，尽管每个单体的生命期有限，而一个多单体的雷暴云，作为一个整体而言，却可维持好几个小时。

待到最后一个雷暴单体消失而不再出现新单体时，一次雷暴过程才告结束。

（二）雷雨的形成：上述雷暴云我们又称为雷雨云。

在雷雨云里，空气动荡不定、上下翻腾，云的上部温度低于0℃的云滴互相碰撞，在冰晶上面冻结，使冰晶变大。

当冰晶增大成大水滴。

一些大水滴再通过破裂，及与其它小云滴碰撞并增大，水滴又不断变大和变多。

于是一部分大水滴就落到地面，成为雨；另一部分随气流上长到云顶附近冻结成小冰珠，小冰珠随气流的升降，来回反复，合并增大，落到地面便是冰雹。

一块雷雨云就好象是一架庞大的机器，它把大量的水汽“制造”成雨滴、冰雹。

同时，由于雷雨云中的微粒相互摩擦，使得一部分原子最外层电子脱离原子的束缚而带电。

在积雨云之间或积雨云与地面之间。

由于积雨云内空气所含的水蒸气比干燥空气多，而电荷极易吸附在水珠表面，故积雨云可积聚许多电荷，引起大规模的闪电和巨大的雷响。

(三)闪电的形成：A、实验基础：找一个小电池，从电池的正负两极各引出一根电线，然后把两根电线头互相碰一碰，就会发现线头附近冒出火花，同时还有“叭、叭”的声音。

这是因为，两个线头相距很近、没有完全接触上，电流可以从空气中通过，把线头间那一个小区域的空气灼热击穿，形成一个小爆炸，发出了光亮和响声。

这个现象名叫“火花放电”。

它和天空中发出的电闪雷鸣的道理一样。

天空中的雷电，就是在两块带电的云层之间，在云层与地面之间，或者在一块云的不同部位之间放电的结果。

B、实际分析：我们知道，雷雨云中的气流，每时每刻都在激烈地翻腾着，这样一来，温度低于0℃的云滴、冰晶或霰粒之间便发生剧烈的碰撞或摩擦，因而破裂分离，同时就帯上了正负不同的电荷。

带正电的小冰晶被气流带到云的顶部，而带负电的大冰晶较重，则下沉到云的下层，融化为带负电的水滴。

这时水滴受上长气流的冲撞，又分裂成许多带负电的小水滴或带正电的大水滴，带正电的大水滴集中到云底，带负电的小水滴又被上长气流抬高。

这样，在云的不同部位就积聚着不同的电荷，它们之间的电位差愈来愈大，到一定程度就会“吐火挥鞭”——剧烈地放电。

例如线状闪电，它是由一个很暗的先导闪击开始的。

先导闪击是沿着一条路径一步一步地伸向地面的，这种情况叫做“逐级向下的先导闪电”。

但是，先导闪击有时也会毫不停留地一直向下延伸，这种情况叫做“直窜先导闪电”。

紧跟在先导闪击之后的是主闪击。

紧接着主闪击而来的是一系列的放电，它们的数目可达到20个以上，整个放电过程可持续半分钟。

完成一次放电的时间是如此短暂，从而使每次放出的电流都十分巨大，可以达到1万安培，甚至超过10万安培。

闪电的电流一般在10微秒左右达到峰值（10～100千安），在峰值电流之前电流上升率达最大值（约10千安/微秒）。

云地电位差一般为107～108伏，一次输送约20库电荷，所以一次闪电的能量约为2×（108～109）焦。

这样强大的闪电电流在数厘米直径的通道内瞬间通过，产生了激震波，在传播一定距离之后退化为声波，即我们听到的雷声；同时这样大的电流将使直径只有十几到几十厘米的放电路径迅速增温至几万度。

炽热的高温使放电路径上的空气几乎完全电离，因而发出耀眼的光亮，这就是闪电。

C、理论依据：1、冰晶由极化冰雹上的碰撞弹回过程或云滴由极化雨滴上的碰撞弹回过程，可产生雷雨云中的起电。

2、一个极化的雨滴在有离子或带电云滴的云中降落时，如果雨滴在指向朝下的电场中降落的速度大于正离子在电场中的向下运动速度，则雨滴将会排斥正离子而俘获负离子。

3、当一块中性冰的两端维持稳定的温差时，热端将出现剩余负电荷，冷端将出现剩余正电荷，使两端有一定的电位差，这就是冰的热电效应。

4、当大水滴被气流吹裂时，碎裂后的大残块带正电，小碎沫带负电。

5、上升气流携带云底正离子向云中运动，直至上部形成正电荷区。

由于高空传导电流使大量负离子来到云的上表面并附在云滴或冰晶上，然后由云周围强烈的下沉气流带下来。

到达云下的负电荷增强了地面电场，使地面感应，产生尖端放电，从而产生更多的正离子，这种正反馈过程最终将造成雷雨云中的电荷分布。

二、雷电的基本特征：1、规律性：雷电范围虽小，维持时间也短，但它的剧烈天气变化规律，在地面监测站是有所反映的，特别是当雷暴云核心经过监测站时表现出气压猛升，风向急转，阵风立即开始，风速常可达30米/秒以上。

阵风一出现，地面气温就突然下降，降温在20——30分钟内会达到10℃左右；随后出现倾盆大雨，电闪雷鸣。

2、运动性：雷电从生成到消失的整个过程中，都是不断地移动的。

江河、山脉等自然地理条件，对雷电的移动也有很大影响。

江河湖泊地区，由于热力作用，白天常有下沉气流存在，雷暴移到这里就会减弱，甚至会消失；夜间相反，雷暴经过时就会增强。

当雷暴移近山脉时，因受阻挡，常顺着山脉移动，有时就在山区里打转，等转到有山口的地方，就从山口移出。

3、多因素性：雷电的分布与纬度、地形、地表性质等因素的关。

我国南方比北方多；山地比平原多；内陆比沿海多。

在一年中，随着气温、湿度的升高而增多，随着气温、湿度的降低而减少。

至于那些终年气温、湿度都很高的地区，则雷电的季节性变化较小。

我国雷电在一年中出现最多的是夏季，春秋次之；冬季除华南少数地区之外，极少有雷电出现。

三、闪电的基本类型：闪电通常是在有雷雨云时出现的，偶尔也在雷暴、雨层云、尘暴、火山爆发时出现。

由闪电的不同形态和特征，可将闪电分为线状闪电、带状闪电、火箭闪电、片状闪电、热闪电、珠状闪电和球状闪电等不同类型。

1、自然界最常见的是线状闪电，它最主要的特征是细亮的发光光柱。

如光柱平直而不分叉，象树干一样，则称为枝状闪电；如光柱蜿蜒曲折而又分叉，则称为叉状闪电。

2、带状闪电是一种宽约十几米，看上云呈带状的云地闪电，它是由于线状闪电的通道受强风影响而移动，致使闪电中的各次闪击的空间位置在水平方向上分开而呈带状。

3、火箭闪电是一种长路径的空气放电，肉眼可直接观测到放电象箭似地沿闪电通道缓缓移动，整个放电的持续时间约1秒。

4、片状闪电用来称呼那些使一片云或几块云所在的那一片天空发亮的闪电。

热闪电用来称呼那些远得听不到雷声只看到闪光的闪电。

片状闪电与热闪电常常较难以区分。

5、球状闪电指那种闪电通道看起来好象断裂成许多小段那样的闪电。

每段长约数十米，远看又会造成一定危害的奇异闪电，通常在有强雷暴时出现。

它外观呈球状，直径10～20厘米（也有小于1厘米甚至大到几十米的），呈红、橙或黄色，存在时间小于5秒（少数超过1分钟），水平移动速度通常为每秒数米，它们沿着弯弯曲曲的路径在天空游荡，有时随着气流慢慢飘动；有时能停在半空中不动或由空中向地面降落；有时发出白光或粉红色的光。

球状闪电有爱钻缝洞的癖性，有时从烟囱、窗户、门缝窜入屋内，在屋子里转一圈后又溜了出去。

消失时常伴有爆炸并发出一声沉闷的巨响，也有无声无息消失的，它从出现到消失，时间只有几秒钟到几分钟。

消失处常有股像臭氧或一氧化氮的气味，它的形成可能是被加热的空气球，例如，空气中的水分解成氢气和氧气。

在某些条件下闪电通道裂成几块，组成一团团含氧气和氢气的气块。

当高温气体冷却到3500℃时，氢气和氧气又化成水。

这种化学反应剧烈地发生类似一种爆炸。

也可能是极高密度的等离子体（电子浓度约为1025个/米3）。

它只所以能存在那么长的时间，是因为它吸收了闪电时产生的超短波辐射。

当它把这部分能量释放出来的时候，就发出光和爆炸。

6、在线状闪电的路径上，还偶尔会出现一种少见的闪电——链状闪电。

它好象一排发光的链球，挂在天空，在云层的衬托下，又如一条虚线在云幕上慢慢地滑行。

链球的数目大约有20～30个。

7、电晕放电：即尖端放电，在强电场作用下，物体尖锐部分发生的一种放电现象。

物体曲率大处，电力线密集，电势梯度大，致使其附近部分气体被击穿而发生放电。

如果物体尖端在暗处或放电特别强烈，这时往往可以看到它周围有浅蓝色的光晕。

航海人员有时看到船桅附近冒出的蓝火，在一些尖屋顶上、烟囱顶部、避雷针上看到的冒烟和发光；登山运动员有时头发会冒火花，等等，都是这类的电晕现象。

这是大气中的一种无声的放电现象。

它们大都发生在雷雨时，因为这时大气有很强的电场，而地面尖端物体附近的电场更强。

当尖端邻近的电场超过每厘米3万伏时，大气里的自由电子在尖端附近飞快地运动，途中又撞击很多空气分子，使空气分子电离，最后就要导致电离空气击穿而产生放电，引起物体尖端附近的发光现象。

尖端电势相对于周围大气电势为正（负）的，称为正（负）尖端，这时与尖端符号相反的离子流入尖端，相同符号的离子远离尖端而形成离子云屏蔽层，它们造成了尖端放电的脉动性质。

尖端放电的电流强度I 与很多因素有关，对于地面附近的尖端放电，电流强度为：0(V U I -=α) (2υ+ω2)2/1 式中U 是尖端与其周围环境的电势差；ω是风速；υ是离子运动速度，等于离子迁移率和环境电场强度的乘积；α、V 0是与尖端形状、高度、环境电学特征等因子有关的常数。

在雷雨云临近时，树木、青草等自然尖端均要发生尖端放电。

8、一般闪电多为蓝色、红色或白色，但有时也有黑色闪电，它是一种最危险的闪电。

由于大气中太阳光、云的电场和某些理化因素的作用，天空中会产生一种化学性能十分活泼的微粒。

在电磁场的作用下，这种微粒便聚集在一起，形成球状物。