这个假期你一定有很多出行计划
可是伴随着台风“杜苏芮”来袭
各地出现了很多强降雨天气
随之而来的往往是电闪雷鸣
雷电似乎一直是夏季的代名词
当那一道道闪电划破夜空
瞬间照亮一方
闪过一道美丽的弧线
引来很多摄影爱好者的驻足
希望抓拍到那一张惊艳四方的闪照
许多人追随闪电的脚步
只为在高速摄影机下目睹它的真容
可是这时候
你心里是不是也在发怵
万一它劈下来怎么办
遇到雷雨天气
到底哪里才是安全的
总说下雨天不要站在树底下
那么闪电一定只劈最高的物体的吗
在雷雨天气频繁的季节
怎么安全出行呢
带着这些疑问
我们一起走进
这让我们既爱又怕的闪电
揭开它的神秘面纱
1、什么是闪电
闪电是由静电放电产生的一种自然现象,发生在携带不同电荷两个带电区域之间,当两个带电区域之间的电场足够强,局部电压达到空气的击穿电压时,两个区域之间的空气可以被连续电离,空气会被击穿形成等离子体,这样电流就会通过原来绝缘的空气,形成闪电。根据发生区域的不同,闪电可以分为三类:云内闪电、云间闪电和云地闪电。前两种是最常见的闪电形式,云地闪电仅占所有闪电的大约 25%,但是由于其电对人类的生产生活影响较大,所以研究最多。
2、闪电是如何形成的
那么闪电是怎么形成的呢?在回答这个问题之前,我们先来看看云层内的电荷是如何产生的。
云层带电的详细过程现在还没有定论,不过大致上可以这样理解:
在云团内温度在-15℃~-25℃的范围内,存在着大量的冰晶和软雹,它们在运动的过程中相互碰撞,由于摩擦起电使冰晶带正电、软雹带负电,冰晶质量小,携带正电荷向上移动,软雹质量大,携带负电荷向下移动。从而使负电荷在云团下部聚集,正电荷在云团上部聚集。
云团中正负电荷分离,形成很强的电场。
如果这两个区域相对放电,就会产生云内闪电。
我们平时看到的多数闪电属于云内闪电或者云间闪电,像这样:
这样的闪电只能看到亮光,但看不到闪电走过的轨迹,因为这些轨迹隐藏在云层之内,这些闪电不会到达地面,对我们的影响较小,我们暂时不研究这些闪电。
下面我们来看云地闪电的形成过程。
如果云团底部聚集的负电荷比较多,就会在地面感应出正电荷,在云团和地面之间就会形成强电场,云团和地面之间的空气就会电离,形成导电通道,云团中的负电荷流向大地,形成云地闪电。
下面我们来详细分析这一过程。
一次云地闪电由多次放电脉冲构成,每一次放电脉冲又包括一次“先导”和一次“回击”。第一个放电脉冲爆发之前,有一个准备阶段:梯级先导放电。
在云层和地面之间强电场的作用下,负电荷向下移动,移动过程中,空气不断电离,形成一条发光的放电通道,在第一次电脉冲过程中,放电不是连续的,而是成阶梯状的,称为梯级先导。每一级的长度约为 50 米,两级阶梯间约有 50us 的间隔,平均速率为 150km/s,约为光速的二千分之一,半径约 1 到 10 米。因为先导常常分叉,所以闪电看起来像树杈的形状。
在梯级先导快要到达地面的时候,地面上的正电荷增多,地面和云层之间的电场增强,地面上的正电荷向上移动,与负电荷相遇,这样就在云和地之间形成了一个通路,强大的电流以极快的速度由地面流向云层,这就是第一次放电脉冲,这个过程称为“回击”,约需 70us 的时间,速度约为光速的十分之一至三分之一。
在回击阶段,会有多条正电束流产生,想要与向下的负电束流相遇,但是一旦一条通道闭合,电荷就会全部转移到这条通道,形成强大的闪电。
一般云层内能量比较高,一次脉冲不能把能量全部释放,就会产生第二次电导和回击。由于第一次梯级先导已经把能量传输通道打通,后续先导直接沿着这一通道到达地面,称为“直窜先导”,因此时间更快。这样的过程反复进行,直到云层中的电荷消耗殆尽。这就是我们看到的闪烁。
3、闪电的分类
前面我们提到,根据闪电产生的区域,可以将闪电分为:云内闪电、云间闪电和云地闪电。
同时,根据电荷的流向,又可以将闪电又分为正闪电和负闪电。由云层流向地面的是正电荷称为正闪电,反之则是负闪电。
一般闪电的能量大约为 3 亿伏特,3 万安培,由于正闪电的距离比负闪电长的多,能量、温度都要比负闪电大得多,正闪电附近温度可以达到 30000℃,是太阳表面温度(5600℃)的 5 倍多,因此正闪电比负闪电更加危险。
一般情况下,正闪电只有一次回击(即只闪一次),而负闪电会有多次回击(即存在闪烁现象),可以利用这一特点来判断一道闪电是正闪电还是负闪电。
那么下面小编就来考考你,看看以下两种闪电分别属于哪一类?
答案:负闪电
答案:正闪电
下次再遇到闪电,在拍照记录的同时,也可以判断一下是哪种闪电哦。
4、闪电一定只劈最高的物体吗
要回答我们的问题其实很简单,这要从尖端放电说起。
高中物理我们就学过,电荷在导体表面的分布规律,越尖锐的部位电荷越密集,电场就越强,越容易产生尖端放电。避雷针正是利用了这一原理。
地面上的建筑物或者一些凸起的物体,比如山顶、树顶,相对于地面来说,就是“尖端”,因此当云层向地面靠近的时候,这些“尖端”更容易聚集电荷,云层和“尖端”之间的空气更容易被击穿,从而遭受电击。
虽然道理上来讲闪电更喜欢高处的物体,但这不是绝对的,闪电毕竟是一种随机的自然现象,每年因雷击致死的人中就不乏在开车的路上,或者在船上遭受雷击的例子。
5、关于闪电的一些小 tips
讲了这么多,你们一定迫不及待地想要知道在户外怎么躲避雷电了。其实相关的方法已经耳熟能详,但是小编要告诉你,雷雨天户外没有安全的地方。
如果在户外遇到雷击怎么办?没有室内或其他保护设施可以进去的情况下,最后可能保护你免受雷电伤害的方法是:
立即远离任何至高点,比如山顶、山脊或者房顶
远离空旷地带,避免自己成为制高点
不要平躺在地上
不要在一棵孤立的树下躲避
远离水源或导体
不要在浅洞或浅沟壑躲避
躺下或蹲下都不是躲避雷击的好办法,要减小雷击的概率,必须将高度和身体与地面的接触面积都减到最小,而蹲下只是没办法的办法,并且这不会显著减少被雷击中的概率,反而可能使你错过最佳逃避的时机。所以躲避雷电最好的办法还是不要待在户外。
千万不要等到快要被闪电击中时才做出反应。当你的头发竖起,或者有刺痛感的时候,可能已经没有办法躲避电击了,如果这种情况发生,你能做的就是尽可能快地跑向安全的地方。汽车,楼房等内部都是安全的地方。
所以小编建议大家出行之前提前查一下当地的天气情况,及时关注天气预报,避免在雷雨天气里出行。遇到闪电时,可以利用闪电和雷声的传播速度差粗略判断闪电的距离。我们知道声音在空气中的传播速度为 340m/s,光速为 300000km/s,如果看到闪电后 20 秒内没有听到雷声,说明闪电离我们较远,反之,说明闪电离我们较近,需要尽快找到建筑物躲避。在最后一声雷过去 30 分钟后,闪电的危险才能基本解除。
参考资料:
1、How Lightning Works-Weird World of Lightning
2、闪电(自然现象)_百度百科 (baidu.com)
3、Lightning - Wikipedia
4、野外防雷完全指南 - 知乎 (zhihu.com)
5、Lightning Faqs (weather.gov)
6、Lightning Safety Tips and Resources
本文来自微信公众号:中科院物理所 (ID:cas-iop),作者:小聪
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