6.2.2雷鸣的产生
由于闪电在窄狭的闪电通道上释放巨大的电能,通道中的空气急剧增温(可高达15000~20000℃),因而空气急剧膨胀,紧接着又因膨胀而迅速冷却收缩。这种骤胀骤缩产生的空气振动发出的声音,即雷声。此外,在高压电火花作用下,空气和水汽分子分解可形成瓦斯,瓦斯爆炸时所产生的声音也是雷声。由于爆炸波的特性,多次放电及声音被多次反射,雷声隆隆不绝。
6.2.3云中电荷的形成
根据大量科学测试,大地稳定地带负电荷,地球上空的电离层带正电荷。在地球静电场的作用下,雷雨云中的粒子被极化,上部带负电荷,下部带正电荷。云中较大粒子下沉与上升气流携带的中性小粒子碰撞时,一部分云粒子被较大粒子捕获,另一部分未被捕获的被反弹回去。被反弹回去的云粒子带走较大粒子前端的部分正电荷,并因此使较大粒子带上负电荷。小粒子较轻,被云中上升气流带至云的上部;较大粒子在重力作用下,滞留在云的下部,或落至地面形成降水。重力的分离作用,使雷雨云上部带正电,下部带负电。
冰中含有一定量的自由离子(OH-和H+),离子数随温度升高而增多。当冰的不同部位出现温度差异时,温度高的部分离子浓度大,且离子从高温端向低温端迁移。由于较轻的带正电的氢离子迁移速度较快、带负电较重的氢氧离子的迁移速度较慢,因此,在一定时间内就出现了冷端H+离子过剩的现象,造成了高温端为负、低温端为正的电极化。
雷雨云中有大量的冰晶、雹粒、过冷水滴。雹粒(或霰)由冰晶凝华及碰冻过冷水滴而成,由于凝华及冻结时释放潜热,霰粒温度高于冰晶。当冰晶与霰粒接触后又分离时,由于冰的热电效应,温度较高的霰粒就带上负电,而温度较低的冰晶则带正电。在重力和上升气流的作用下,较轻的带正电的冰晶集中到云的上部,较重的带负电的霰粒则停留在云的下部。
此外,过冷水滴与霰粒碰撞时,会立即冻结(即碰冻)。发生碰冻时,过冷水滴的外部立即结成冰壳,内部仍暂时保持着液态,并且由于外部冻结释放的潜热传到内部,液态过冷水的温度比外面的冰壳高。这种温度差异,使冻结的过冷水滴外部带正电,内部带负电。当内部也发生冻结时,云滴体积膨胀,外表皮破裂成许多带正电的小冰屑,随气流飞到云的上部,带负电的冻滴核心部分则附在较重的霰粒上,停留在云的中、下部。
大量观测事实表明,只有当云顶呈现纤维状丝缕结构时,云才发展成雷雨云。飞机观测也发现,雷雨云中存在以冰晶、雪晶和霰粒为主的大量云粒子。因此,霰粒生长过程中的碰撞、撞冻和摩擦等起电过程,很可能是雷雨云中大量电荷的主要起电过程。
6.3闪电的形状
闪电的形状多种多样,有线状或枝状闪电、片状闪电、带状闪电、联珠状闪电、球状闪电等。
6.3.1线状闪电
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。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。如此大的电流强度,可毁坏和摇动大树,甚至伤人。当它接触到建筑物时,常常造成“雷击”而引起火灾。线状闪电多数是云对地的放电。
6.3.2片状闪电
片状闪电看起来好像是云面上的一片闪光。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。片状闪电经常在云强度减弱、降水趋于停止时出现。它是一种较弱的放电现象,多数是云中放电。
6.3.3带状闪电
带状闪电是由连续数次的放电组成的,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。
6.3.4联珠状闪电
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连线,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。联珠状闪电往往在线状闪电之后接踵而至,二者之间几乎没有时间间隔。
6.3.5球状闪电
球状闪电像一团火球,有时还像一朵发光的盛开着的“绣球”菊花,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悠,有时候又完全不动地悬在空中;有时发出白光,有时又发出粉红色光。球状闪电“喜欢”钻洞,可从烟囱、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,有点像臭氧的气味。
20世纪50年代以来,人类共记录了4000多次球形闪电现象。
1981年,一架“伊尔-18”飞机从黑海之滨的索契市起飞。当时天气很好,雷雨云距航线40千米。当飞机升到1200米高空时,突然一直径为10厘米左右的火球闯入飞机驾驶舱,发出了震耳欲聋的爆炸声后随即消失。但几秒钟后,它又令人难以置信地通过密封金属舱壁,在乘客舱内再度出现。它在惊乱一团的乘客头上缓缓地飘进后舱后,分裂成两个光亮的半月形,随后又合并在一起,最后发出不大的声音离开了飞机。驾驶员立即着陆检查,发现球形闪电进出的飞机头尾部各被钻了个洞,雷达和其他仪表失灵,但飞机内壁和乘客没有受到任何损伤。
据1999年4月7日的《羊城晚报》载:1999年3月16日下午,湖北省枣阳市响雷震天,当场击毙9人,击伤20人。在这一罕见的群死群伤事件中,许多人看到一片移动的红光。气象学家指出,这就是落地雷打击地面时生成的球形闪电。
另一次惨绝人寰的球形闪电袭击事件,发生在湖南省隆回县的一户农民家里。1989年4月3日晚上,在一阵电闪雷鸣过后,一个篮球般大小的红色火球猛然击碎窗户玻璃,窜入这户郭姓农民卧室后,在床上飞舞滚动,郭姓夫妇顿感手足麻木灼热。之后,火球穿堂过室,在8个房间留下大小不等的碰撞痕迹。火球最后游到郭氏夫妇儿子的房间,将其儿子、儿媳和正在酣睡的一岁半孙女烧为灰烬,床上用品全部被烧毁,可是床框、床脚却完好无损。更为奇怪的是,放在床边的大立柜外表完好无损,而柜内衣物都化为灰烬。
据一位气象工作者观测记录:1962年7月22日傍晚,在泰山玉皇顶,天气骤变,一阵电闪雷鸣过后,一个直径约15厘米的殷红色火球,从窗缝潜入室内时将窗户的木条撕裂,然后火球以2~3米/秒的速度在室内游荡,大约经过3秒钟后,又从烟囱逸出。在即将离开烟囱的一瞬间,突然爆炸消失,气浪把烟囱削去一角,并将室内的暖水瓶胆震为碎片。
从历次球形闪电的活动情况看,它大多出现在雷雨交加的时刻或暴风雨前后,状似发光火球,中心极亮。这种火球的颜色多变,直径通常为10~40厘米。发生球形闪电的持续时间在几秒到几十秒之间。它常常以2米/秒的速度移动,有进有停,有时停留在半空中,有时降落地面。球形闪电出现时常伴随爆炸声,消失后会在空气里留下一股刺鼻的烟味。它虽是一个灼热的火球,但当它靠近一些易燃物体如树木、纸、干草时,并不起火灾,而在爆炸的一瞬间却可以烧掉潮湿的树木和房屋。如若落进水池,球形闪电会使水沸腾。它能轻而易举地破窗而入,又可从门缝、烟囱钻到房屋之内。
球形闪电到底是何种物质,至今一直没有明确答案。有人认为球形闪电是一种带强电的气体混和物,有人则推测是化学反应堆,还有人认为是一种氮氧化合物,更有学者说它是一团高度电离的空气囊。以上诸种说法,都有待于科学研究的证实。
现代科学对球形闪电主要有如下两种解释。有些学者认为是化学过程引起的。在线形闪电发生时,由于闪电通道里的空气温度极高,能将空气中的水分电解为氢气和氧气。在一些外界条件作用下,闪电通道分裂成几块,组成一些含氢和含氧的气团,当这些高温气团冷却到3500℃时,氢氧气团便化合成水,并释放出能量,类似一种爆炸。另一些学者则认为,球形闪电之所以存在如此长时间,是因为它吸收了线形闪电的超短波辐射,当它把这部分能量释放出来时,便会发生爆炸。
据英国《自然》杂志报道,多年来一直困扰科学家的球形闪电之迷,已被新西兰坎特伯雷大学科学家阿伯拉翰森和戴尼斯揭示。他们认为,球形闪电是硅燃烧发光所致。当土壤被雷电袭击后,会向大气释放含有硅的纳米微粒,来自雷电袭击的能量以化学能的形式储藏在这些纳米微粒中,当达到一定高温时,这些微粒就会被氧化并释放能量。研究人员将土壤样品暴露于跟闪电过程一样的条件下,便会产生含有硅的纳米微粒,其被氧化的速率与球形闪电平均10秒的生命周期是一致的。
也许,人类揭开球状闪电的谜底已指日可待。
6.4雷电的危害和预防
雷电,是一种自然灾害。在酷热的盛夏,正是雷电肆虐之时。每当黑云压城之际,一条条耀眼的银蛇在天空飞舞,一阵阵震耳的雷声从天空滚过,随之而来的除了狂风暴雨外,还有那一桩桩令人心悸的灾难事件。
6.4.1触目惊心的雷电灾害事件
据中国气象局统计,中国每年有将近1000人因遭雷击而死亡,雷击造成的直接经济损失近10亿元,雷电灾害危害程度已成为仅次于暴雨洪涝、气象地质灾害的第三大气象灾害。
1987年3月26日,美国国家航天局在卡纳维拉角基地利用大力神/半人马座火箭发射海军通信卫星时,雷击导致星箭俱毁,损失高达1.7亿美元。
1989年8月12日上午9时55分,山东省青岛油库5号罐遭雷击起火,引爆了1至4号罐,大火持续燃烧了104个小时,造成19人死亡、78人受伤,烧耗原油3.6万吨,直接经济损失3540万元,间接经济损失8500万元。
1996年2月6日,一架满载游客的波音757客机在多米尼加北部加勒比海遭雷击后坠入大西洋,机上176名乘客、13名机组人员无一生还。
2000年10月4日,广东省佛山市永新综合加工厂遭雷击引起火灾,机器设备及库存珍珠棉几乎全被烧毁,工厂被迫倒闭。
2001年,广东省惠州市秋长镇元翔化工厂雷电袭击引发爆炸,造成8人死亡、14人受伤,厂房基本全毁。
2004年6月26日,浙江省台州市临海市杜桥镇杜前村有30人在5棵大树下避雨,遭雷击,造成17人死亡、13人受伤。