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可怕的雷电

(2008年04月24日 16:10:14)
来源:《大自然探索》

□作者: 云 轩

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  雷声震耳,动地惊天。无论是地面的建筑物和大树,还是天上的航天器,都可能在它“轰隆隆”的巨响中遭到破坏,人和牲畜在它的面前更是“在劫难逃”——遭到雷击,不死也得蜕一层皮。面对这种威力巨大、出现迅速的天气现象,人们惊恐地用“雷霆万钧”、“迅雷不及掩耳”等来形容。令人畏惧的雷电是怎么形成的,人类又是怎样认识它们的呢?
  
  雷电的奥秘
  
  雷电是一种常见的自然现象,经常出现在天空。在一些地方,每到夏夜,几乎天天都能见到雷电。
  
  雷电的形态雷电是一种常见的自然现象,经常出现在天空。在一些地方,每到夏夜,几乎天天都能见到雷电。雷电大致分为三种形态。大多数雷电只见其光,不闻其声,例如夏夜常见的“打闪”。第二种雷电出现在闪光之后,隔一定时间能听到雷声,但声音不大,例如暴风雨来临前常常出现的闪电和“闷雷”。这两种雷电是在云与云之间发生的,叫做“云-云”雷电。“云-云”雷电因为发生在高空,所以又叫“高空雷”。“高空雷”离地面比较远,大部分能量耗散在传播过程中,传到地面时已是强弩之末,因此不会造成很大的危害。
  第三种雷电发生在云和地面之间,因为它们发生在地面附近,在传播过程中能量耗散得不多,所以几乎所有能量都在爆炸瞬间释放,出现时电光闪闪,雷声隆隆,不仅给人惊恐和震撼,而且能造成巨大的危害,地球上的雷电灾害基本上都是由这种雷电造成的。这种雷电叫“云-地”雷电,也叫“落地雷”。
  上述三种形态的雷电都是由同一个过程产生的。由于光在空气中的传播速度是每秒30万公里,声音传播速度却只有每秒340 米,光速比声速快得多,所以我们总是先见到闪电,后听到雷声。又因为光波和声波在媒质中传播时都要损失能量,而且传播得越远损失的能量越多,声波损失能量比光波快,因此远方的闪电弱,雷声小。当雷电离我们很远时,我们只能见到微弱的闪电,听不到雷声。相反,当我们听到很响的“炸雷”时,雷电就在附近,闪电很亮,雷声与闪电的时间差也很短。冰-电-火链接闪电的本质是电,前身是冰。冰“生产”电,电“生产”火,火光闪烁就是闪电,所以闪电产生的过程实际上就是冰-电-火的链接过程,链接的纽带是云里翻腾不息的气流。在雷雨天气里,天空有一种形状像铁砧的云,叫做“积雨云”。它像一部复杂的机器,能把大量水汽“制成”雨滴、冰雹和冰晶,同时还能“生产”出电荷,造成大规模的闪电和隆隆的雷声。
  积雨云的“本领”来源于它内部翻腾不息的气流。在气流作用下,云中寒冷的水汽和冰晶发生激烈碰撞或摩擦,结果就产生了两种不同性质的电荷:正电荷和负电荷。负电荷附着在比较小的冰晶上,被气流带到云顶;正电荷留在比较大的冰晶上,冰晶在地球引力作用下沉到云层底部,融化成许多带负电荷的水滴。在上升气流的撞击下,水滴又分裂成许多带负电荷的小水滴和带正电荷的大水滴。带正电荷的大水滴集中在云的底层,带负电荷的小水滴在上升气流的抬升下进入云顶。这样,大气中的正负电荷就分开了,不同性质的电荷积聚在云的不同部位。
  
  电荷分离后,“怪事”就来了。如果你对此有兴趣,不妨做一个小实验:分别在一节电池的两极引出一根导线,两手各拿一根,使它们相互之间慢慢靠近。当两根导线靠得很近、但尚未接触时,两根导线之间就会“啪咝”一声冒出火花。这种现象叫做“火花放电”。积雨云里的正、负电荷靠得很近时也会发生火花放电,发出“啪咝”声。这一连串的“啪咝”声传到地面就成了隆隆的雷声,发出的火花就是闪电。
  
  闪电的奇趣
  
  闪电是一个大家族,兄弟姊妹颇多,最常见的是线状闪电,危害最大的是“落地雷”。
  
  闪电是一个大家族,兄弟姊妹颇多。最常见的是线状闪电,它像一棵多枝杈的树木倒挂在空中,呈白色、粉红色或浅蓝色,非常明亮。线状闪电一般先由一个很暗的先导闪击开始,沿一条路径一步一步地向地面延伸,这叫“逐级向下先导闪电”。也有一些先导闪电在向下延伸的过程中,急匆匆一路向下,不作停顿,这叫“直窜先导闪电”。主闪击跟在先导闪电后面,主闪击的后面是一系列放电过程,即一系列火花放电。一个放电过程有20 多次放电,放电时间约半分钟,释放的电流在1 万~10 万安培。如果用这些电流来照明,可使5 万~50 万只40 瓦的电灯同时发光;如果把10 万安培电流全部转换成热量,其放电路径上几十厘米直径的空气将被迅速加热到10000 ~20000 ℃的高温!
  在线状闪电之后,天空有时会突然出现一们大多出现在强雷雨天气。关于球状闪电,有许多故事。70 年前,苏联一支勘测队在西伯利亚勘测时遇到了一桩怪事:在一个月黑风高的夜晚,一个红色火球悄无声息地钻进勘测队员的帐篷,进入一个睡袋,在一名队员脸颊上“抚摸”一番后,悄悄钻出睡袋,“走”到帐篷外飞走了,这名队员当时被吓出了一身冷汗。
  1962 年7 月2 日晚,我国著名风景区泰山顶上也出现了类似的火球。那是在一阵雷雨之后,一个直径约为15 厘米的火球从玉皇顶西侧的窗缝里钻到室内,缓缓飞行,两三分钟后钻进烟囱,“轰”地一声炸开来,烟囱被炸去一半。被炸的烟囱证明,火球是客观存在的实体。
  个大火球,它们大小不一,飘忽不定,颜色各异。大的直径几十米,小的只有几厘米,有时在天空飘荡,有时悬在半空中,有时发出白光,有时呈现粉红色。它们还有一个特别的爱好:喜欢钻洞,烟囱、窗户和门缝都是它们的通道。过去,人们不知道这些火球为何方神圣,于是给它们起了一个带有迷信色彩的名字 ——“神火”。实际上,神火并不“神”,它也是一种闪电——“球状闪电”。球状闪电十分罕见,它还有一个更奇怪的火球,是法国著名天文学家弗拉马利翁见到的。一天,弗拉马利翁老先生正坐在屋里的藤椅上,突然一个火球从屋顶钻进屋内,落到他头上,把他吓了一大跳。他仔细看时,一个大火球已从他头上、身上滚到脚上,又从脚上滚到地上。它在房间里转悠了一圈后,又来到老人身边,“爬”到脚上,依次从脚上、身上“爬”到头上,从头顶飞向屋顶,最后穿过屋顶消失在茫茫夜色中。
  球状闪电是有趣的,而更有趣的是“电晕”放电。在雷雨天气里,我们在船桅顶端、尖屋顶、烟囱顶端、避雷针上,往往会看到“冒火”,有时还有闪光。登山运动员在登山过程中,也会发现队友头发上冒出火光。这就是“电晕”现象。电晕看似神秘,其实是大气中一种无声的放电现象。它们大多数发生在雷雨期间,因为这时大气中有很强的电场,地面尖端物体附近也出现很强的电场。当物体尖端附近的电场超过1 万伏厘米时,大气里的自由电子便在物体尖端附近飞快地运动,撞击空气分子,使它们电离(原子失去核外电子的过程叫电离)、电离、再电离,最后被击穿,出现放电现象,在尖端物体附近发光,形成“电晕”。
  另一种有趣的闪电是链状闪电,它们常常像二三十个“球”连在一起,穿成一串,在线状闪电的路径上闪耀,十分有趣。
  以上闪电基本上都发生在高空,是高空闪电,它们是无害的。而当高空闪电向下延伸到地面附近时,地面突出物顶端向空中释放的正电荷便像欢迎贵宾似的迅速迎上去,造成空气迅速加热、膨胀,发出震耳欲聋的霹雳声,形成一种有害的闪电——“落地雷”。
  
  有豁化工厂
  
  闪电还是制造毒品的“化工厂”,它“生产”出来的“产品”甚至可能强烈影响局部地区的空气质量和全球气候。
  
  闪电虽是寻常的天气现象,但一般人对这种现象的了解未必详尽,比如许多人就不知道闪电还是“化工厂”——制造毒品的化工厂,它“生产”出来的“产品”强烈影响局部地区的空气质量和全球气候。闪电对空气质量和气候的影响是通过上层对流层中的氮氧化物NOX 实现的。在这个分子式中,N 代表氮,O 代表氧,X代表自然数1 、2 ……不同氮氧化物的X不同,一氧化氮(NO)的X是1,二氧化氮(NO2)的X是 2,,以此类推。氮氧化物是怎样影响空气质量和全球气候的呢?原来,风、云、雨、雪等天气形式都是在上层对流层中形成的,而臭氧(O3)是重要的温室气体,羟基(OH)是控制几种温室气体氧化作用的高度活泼的分子,因此臭氧和羟基的浓度对上层对流层中的天气形成起着重要作用。而大气中臭氧和羟基的浓度又部分地受NOX 的控制,因此NOX 间接地影响地球的气候。由于NOX 对大气的重要性,大气化学家对NOX 很感兴趣,尤其对其中的一氧化氮和二氧化氮感兴趣。他们发现NOX 有两个来源,其中最重要的来源就是上层对流层中的闪电,其次才是工业废气和汽车尾气。汽车发动机的尾气和发电厂排出的有毒气体是一氧化氮。二氧化氮是红褐色有害气体,有强烈的刺激气味。目前,汽车和工业产生的NOX 数量可以测定,然而全球闪电“制造”的NOX 数量却无法知晓,因为后者既无法测量,又不能用计算机模拟。用计算机模拟,需要知道两个重要的闪电特征参数,一个是一次闪电闪烁的能量,另一个是一次闪电闪烁产生的NOX 的化学热。目前这两个特征参数都是未知数,因此人们还无法确知闪电“制造”的NOX 的数量。然而,闪电是模拟局部空气质量和全球气候的通配符。要了解天气形式,就不能不了解NOX 的数量。为此,美国宇航局利用“奥拉”卫星在空间进行大气化学测量,利用测量结果为全球化学和气候模型提供数据,从而估算出全球大气产生的NOX 数量约为600 万吨。



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