闪电的自然现象
闪电是云与云之间、云与地之间或者云体内各部位之间的强烈放电现象,一般发生在积雨云中。
积雨云通常产生电荷,底层为阴电,顶层为阳电,而且还在地面产生阳电荷,如影随形地跟着云移动。正电荷和负电荷彼此相吸,但空气却不是良好的传导体。正电荷奔向树木、山丘、高大建筑物的顶端甚至人体之上,企图和带有负电的云层相遇;负电荷枝状的触角则向下伸展,越向下伸越接近地面。最后正负电荷终于克服空气的阻障而连接上。巨大的电流沿着一条传导气道从地面直向云涌去,产生出一道明亮夺目的闪光。一道闪电的长度可能只有数百米(最短的为100米),但最长可达数千米。闪电的温度为17000~28000℃,也就是等于太阳表面温度的3~5倍。闪电的极度高热使沿途空气剧烈膨胀。空气移动迅速,因此形成波浪并发出声音。闪电距离近,听到的就是尖锐的爆裂声;如果距离远,听到的则是隆隆声。你在看见闪电之后可以开动秒表,听到雷声后即把它按停,然后用所得的秒数除以3,即可大致知道闪电离你有几千米。
闪电的过程
如果我们在两根电极之间加很高的电压,并把它们慢慢地靠近。当两根电极靠近到一定的距离时,在它们之间就会出现电火花,这就是所谓“弧光放电”现象。
雷雨云所产生的闪电,与上面所说的弧光放电非常相似,只不过闪电是转瞬即逝,而电极之间的火花却可以长时间存在。因为在两根电极之间的高电压可以人为地维持很久,而雷雨云中的电荷经放电后很难马上补充。当聚集的电荷达到一定的数量时,在云内不同部位之间或者云与地面之间就形成了很强的电场。电场强度平均可以达到几千伏特/厘米,局部区域可以高达1万伏特/厘米。这么强的电场,足以把云内外的大气层击穿,于是在云与地面之间或者在云的不同部位之间以及不同云块之间激发出耀眼的闪光。这就是人们常说的闪电。
肉眼看到的一次闪电,其过程是很复杂的。当雷雨云移到某处时,云的中下部是强大负电荷中心,云底相对的下垫面变成正电荷中心,在云底与地面间形成强大电场。在电荷越积越多,电场越来越强的情况下,云底首先出现大气被强烈电离的一段气柱,称梯级先导。这种电离气柱逐级向地面延伸,每级梯级先导是直径约5米、长50米、电流约100安培的暗淡光柱,它以平均约150000米/秒的高速度一级一级地伸向地面,在离地面5~50米左右时,地面便突然向上回击。回击的通道是从地面到云底,沿着上述梯级先导开辟出的电离通道。
回击以5万千米/秒的更高速度从地面驰向云底,发出光亮无比的光柱,历时40微秒,通过电流超过1万安培,此即第一次闪击。
相隔几秒之后,从云中一根暗淡光柱,携带巨大电流,沿第一次闪击的路径飞驰向地面,称直窜先导,当它离地面5~50米左右时,地面再向上回击,再形成光亮无比光柱,此即第二次闪击。
接着又类似第二次那样产生第三、四次闪击。
通常由3~4次闪击构成一次闪电过程。一次闪电过程历时约0.25秒,在如此短的时间内,窄狭的闪电通道上要释放巨大的电能,因而形成强烈的爆炸,产生冲击波,然后形成声波向四周传开,这就是雷声或说“打雷”。
闪电的类型
闪电的形状有好几种:最常见的有线状(或枝状)闪电和片状闪电,球状闪电是一种十分罕觅的闪电形状。如果仔细区分,还可以划分出带状闪电、联珠状闪电和火箭状闪电等形状。线状闪电或枝状闪电是人们经常看见的一种闪电形状。它有耀眼的光芒和很细的光线。整个闪电好像横向或向下悬挂的枝杈纵横的树枝,又像地图上支流很多的河流。
(1)线状闪电与其他放电不同的地方是它有特别大的电流强度,平均可以达到几万安培,在少数情况下可达20万安培。这么大的电流强度,可以毁坏和摇动大树,有时还能伤人。当它接触到建筑物的时候,常常造成“雷击”而引起火灾。线状闪电多数是云对地的放电。
(2)片状闪电也是一种比较常见的闪电形状。它看起来好像是在云面上有一片闪光。这种闪电可能是云后面看不见的火花放电的回光,或者是云内闪电被云滴遮挡而造成的漫射光,也可能是出现在云上部的一种丛集的或闪烁状的独立放电现象。片状闪电经常是在云的强度已经减弱,降水趋于停止时出现的。它是一种较弱的放电现象,多数是云中放电。
(3)带状闪电。它由连续数次的放电组成,在各次闪电之间,闪电路径因受风的影响而发生移动,使得各次单独闪电互相靠近,形成一条带状。带的宽度约为10米。这种闪电如果击中房屋,可以立即引起大面积燃烧。
(4)球状闪电虽说是一种十分罕见的闪电形状,却最引人注目。它像一团火球,有时还像一朵发光的盛开着的“绣球”菊花。它约有人头那么大,偶尔也有直径几米甚至几十米的。球状闪电有时候在空中慢慢地转游,有时候又完全不动地悬在空中。它有时候发出白光,有时候又发出像流星一样的粉红色光。球状闪电“喜欢”钻洞,有时候,它可以从烟囱、窗户、门缝钻进屋内,在房子里转一圈后又溜走。球状闪电有时发出“咝咝”的声音,然后一声闷响而消失;有时又只发出微弱的噼啪声而不知不觉地消失。球状闪电消失以后,在空气中可能留下一些有臭味的气烟,有点像臭氧的味道。球状闪电的生命史不长,大约为几秒钟到几分钟。
(5)联珠状闪电看起来好像一条在云幕上滑行或者穿出云层而投向地面的发光点的联线,也像闪光的珍珠项链。有人认为联珠状闪电似乎是从线状闪电到球状闪电的过渡形式,联珠状闪电往往紧跟在线状闪电之后接踵而至,几乎没有时间间隔。
(6)火箭状闪电比其他各种闪电放电慢得多,它需要1~1.5秒钟时间才能放电完毕。可以用肉眼很容易地跟踪观测它的活动。
人们凭自己的眼睛就可以观测到闪电的各种形状。不过,要仔细观测闪电,最好采用照相的方法。高速摄影机既可以记录下闪电的形状,还可以观测到闪电的发展过程。使用某些特种照相机(如移动式照相机),还可以研究闪电的结构。
超级闪电指的是那些威力比普通闪电大100多倍的稀有闪电。普通闪电产生的电力约为10亿瓦特,而超级闪电产生的电力则至少有1000亿瓦特,甚至可能达到万亿至10万亿瓦特。
纽芬兰的钟岛在1978年显然曾受到一次超级闪电的袭击,连13千米以外的房屋也被震得格格响,整个乡村的门窗都喷出蓝色火焰。
海底也有闪电,这是前苏联科学家在日本海底发现的。灵敏的电场仪表明,海底放电的频率与大气中闪电的频率相同,这使科学家大惑不解。因为按水文物理学规律,深层海水的导电性良好,理应与雷公电母无缘。
科学家经过反复试验,最后认为:电荷源实际上来自陆地上近海岸的空中,再经过岩石传导,一直深入到海底。但随着传导距离的增加,电量逐渐减少。因此海底测得的放电量一般是较弱的。