天雷滚滚怎么办?请收藏这份雷电档案

来源:中国科学探索中心 2018-07-09 12:07:43

雷电是人类最熟悉的自然现象。端午节前后,我国很多地区进入了雷雨多发时节。当雷电在滂沱大雨中闪烁轰鸣时,你会感受到雷声那磅礴的力量,看到那如神龙巨爪般的闪电。

闪电打雷构成了自然界蔚为壮观的一方画廊。在古代的诗歌词赋中,有不少吟咏雷电的佳作,晋代傅元《惊雷歌》中的:“惊雷奋兮震万里,威凌宇宙兮动四海,”把雷电气魄写得何等的雄奇!宋代愈琰的《雷》诗中:“幽窗降鉴频三四,照尽人间正与邪”,却把雷电与人类伦理观等联系起来,……可见雷电对人类生产生活乃至文化产生的影响是巨大的。

古人对雷电的认识

雷电自远古呱呱诞生已有数十亿年了。雷电的本质是什么? 当它阵阵的骚动、悠闪藏耀展现在先民面前时,既蕴含着对生命的诱惑,也深藏着对生存的恐惧。

随着社会的文明进步,人类开始用理性的眼光来审视雷电,以揭释其中之谜。先秦时代,古人就用“阴阳”学说来解释雷电。《尚书洪范》中认为:“有云然后有雷……故云雷相托,阴阳之合。《淮南子·天文训》中也说:“阴阳相薄,感而为电,激而为雷。”宋代的理学家程颢也指出:“电者阴阳相轧,雷者阴阳相击,”阴阳学说成了古人解释雷电产生的机理的理论依据。

对于雷电在人类生活中导致的人被击毙,树木折断,房屋着火等灾害,古人蜡误地认为这是上天对人不良行为的惩罚。东汉唯物论者王充针对这种情况,曾分析说这是由于“阴阳较轸”(冲突)而产生“激射”的结果,并指出“雷为天怒,虚妄之言”。

在我国古代的一些建筑中,巧妙地应用了避雷方法,山西应县县城西北佛宫寺内有一座木塔,它建于辽代清宁上年(1056年),塔高67.31米,其周围的房屋不过高10米,当周围的屋舍屡遭电击时,这座高耸的木塔却安然无恙。明代永乐年间建在武当山绝顶处的铜铸镏金大殿,每逢雷雨季节,当雷电骤起之时,全殿周围频频掠过巨大的火球,形成了“雷电炼殿”的奇观,而金殿却完好无损。科学研究表明,金殿建在峰顶,其表面鎏金,本身就如同一个伸入天空的大型钝头避雷针。

雷电产生于“阴阳”之说和古人的“避雷”措施,在科学发展史上具有重要意义

雷电如何带电

闪电的形状可分为线状、带状、球状、片状,联球状和火花等,线状闪电最常见,它是一枝在空中曲折发展的火光柱,从这光柱上伸出许多小分枝,如同树干上的小枝条,这种闪电的长度平均约2~3公里,常发生在云对地之间,闪电构成的形状千姿百态,但这些电又是如何产生的呢?

大名鼎鼎的美国科学家富兰克林是率先研究雷电的人之一。他曾用风筝作为雷电探测器,差点被雷电要了命,成功证明雷电是一种电。他在1752年指出:“雷雨云通常处于带负电荷状态,但有时也处于带正电状态。”要产生闪电,必须是正电荷或负电荷从云区之间,或云与地球之间传播,但是引起雷雨云导电的原子现象和使整团雷雨云完成带电过程的空气运动如何解释呢?后来,科学家们提出了两种理论:首先是德国物理学家丁·埃尔斯托和F·革特尔提出了“重力分离理论”。

他们认为,雷雨云中的雨滴,冰雹,霰粒(小冰粒),在重力作用下下落穿过空气和悬浮在空气中的水滴以及冰晶粒时,较大的雨滴和小水滴就形成水雾,同时在与冰晶的碰撞过程中,雨滴带上了负电,根据电荷守恒定律,水雾就带上正电。后来,法国巴黎大学的加斯顿、格勒内特提出了“对流假说”。他认为云最初带电来自外源供给:一是宇宙射线(一种来自外部空间的高能粒子流),它使云中空气分离为正负离子;二是地球表面的一些尖锐物体周围的电场,产生正离子的电晕放电。科学家们则倾向于重力分离理论。但这两种理论,都尚未能圆满地解释云雨的带电过程,有关雷电产生的微观机理,有待进一步探索。

雷电的能量

中国有句成语,叫“排山倒海之势,雷霆万钧之力”。雷霆有万钧之力吗?这个巨大的能量又来自何方?

究其根源,雷电的能量来自热能,水蒸气受热膨胀,密度变得比周围空气小,在快速上升过程中,冷凝或冻结,释放出潜在的热能,然后液态水或冰开始下降,根据重力理论,下降过程中失去的引力热能便转化为云层的静电能量,一旦这个静电场强度远远大于局部介质的强度,就会产生闪电,闪电过程中,静电能转化为电磁能和声能,但最后又复归为热能,

普通的一次闪电,地面和云端之间的电势差约1000万伏以上,可放电l 0~20库仑,那么释放的能量约2.0×108(2乘10的8次方)焦耳,相当于1吨(1000千克)重的物体提高20米;对于中等规模的雷电,每分钟有几次闪电,功率达几百兆瓦,相当于一个小型核动力电站的功率,显然雷电有“万钧之力”。

在地球大气对流层中,每一秒钟约有100余次雷电落地,每天都有800余万次闪电释放着巨大的能量。危害最大的落地雷,电压可高达几千万伏,峰值电流的强度为5万-20万安培,闪电通道内温度高达1万-2万℃以上。

美国纽约大学的里查德扣奥维勒曾利用美国东部的36台仪器观察研究了美国东南部佛罗里达群岛的闪电。他们分析了500多万次雷电火花,发现佛罗里达雷击时的峰值电流达到4—4.5万安,约为新英格兰的闪电电流的两倍。研究表明,雷电火久花这一特性随高度而变,并且云彩体积越大,贮存的电荷越多,产生的峰值电流更大,释放的能量也就越多。

闪电时释放出声能,较近的雷声是急促、猛烈的,远雷则感觉到隆隆之音,余音经时较久。隆隆之音可以是云层,山谷及其它障碍物多次反射的结果,但主要原因是闪电路径的弯曲,使电路上各点到达观测者的距离不等,再加之不规则电路上各部分放电秩序的先后,产生声波的干涉。

雷电的弊与利

雷害是联合国公布的10种最严重的自然灾害之一,全球每年因雷害造成的损失达上百亿美元。近20年来,我国因雷电灾害导致直接经济损失达百万元以上的就有400多起,伤亡人数达数千人。

在美国,森林火灾70%由雷击引起,55%的石油火灾是因雷击引发的。在中国,以往大兴安岭林区林火22%以上由雷击引起,其中29%酿成大火或特大火灾。

1989年8月12日,我国黄岛曲库起火并引发大爆炸,死19人,伤61人,几百吨原油付之一炬,大火持续了104小时。祸因就是储油库遭地滚雷(球雷)袭击所致。

球雷是在空气中飘浮移动的团状火球,有粉红、红、黄、绿和白几种颜色。它可以从烟囱、窗户、门缝中钻进来。球雷大多出现在强雷雨天气中,好发于线状闪电之后,当碰到人或物体后即发出惊人的爆裂声,造成人员伤亡,或引发火灾。为此,当天气出现强雷雨及线状闪电之后,应紧闭门窗,严防球雷钻空子。

雷电又是飞行安全之大敌。据调查,民航飞机平均每飞行2500小时就会碰到一次雷击,喷气式飞机每飞行1000小时可碰到一次雷电。雷电有时还会击中火箭。1987年6月9日19时,美国一发射场上,竖立在发射架上的3枚巨型火箭被雷击中,引爆了点火装置,火箭自行升空,酿成了美国航天史上一起罕见的事故。笔者今年6月30日晚乘坐飞机从海口返京,快接近北京时遇到雷区,外面的闪电和雷声使人心惊肉跳。

因此,专家们建议,在高大建筑物上必须安装避雷装置,防御雷击灾害;在户外不要使用手机之类;雷雨天尽量少洗澡,太阳能热水器用户切忌洗澡;等等。

事物都有其两面性,雷电也是如此,我们来看看它的好处:

雷电是一种较洁净的能源。它一次放电能量达1~10亿焦耳。利用它的冲击力,能夯实松软的地基,为建筑行业节省能源。利用雷电产生的高温,可使岩石内水分膨胀,达到爆破采石的目的。

雷电还可制造氮肥。闪电通道内的高温,有利于空气中的氮、氧合成二氧化氨。生成的二氧化氯被雨水溶解,变成稀硝酸,落人土中,又与其他物质结合形成硝石。

雷雨能保健。大家知道,负氧离子对人体健康是十分有益的。雷雨之后,每立方厘米空气中负氧离子数目达1万余个,而晴天里的闹市区,负氧离子数目仅有几十个。

雷电可帮助找矿。雷电偏爱打击容易导电的物体。据此,人类可顺藤摸瓜找到地下金属矿藏。

……

雷电作为一种自然现象,深深地影响着人类生活的各个方面,随着科学的不断发展和对大自然认识的日益深化,人类终将能有效地利用雷电,趋利避害,使它更好地造福于社会。

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