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如今,我们的生活无时无刻都离不开电。你可能知道我们日常所用的电能大部分来源于发电厂,但你知道吗?我们头顶的蓝天也存储着巨量的电能,电闪雷鸣之际,我们总能感受到这股能量所带来的震撼。
自古以来,人们便对雷电充满敬畏。在世界各地的神话中,都存在执掌雷电的神明形象,例如中国古代神话里,雷公和电母掌管着天地间的雷电之力,以惩罚罪恶之人。
天上的闪电和家用的电一样吗?
1752年,富兰克林做了著名的风筝实验,破解了闪电的秘密。富兰克林制作了一只特殊的风筝,风筝上固定了一段金属丝,一条长长的绳子与金属丝相连,作为风筝线,绳子下端还挂了一把钥匙。在一个雷雨交加的日子,富兰克林和他儿子将这只风筝放上了空中。
此时一道闪电划过,风筝线上的纤维丝一瞬间竖立起来,富兰克林高兴极了,他小心用手触碰了钥匙,噼里啪啦的电火花立刻在他的手指和钥匙之间跳动起来。
随后,他又将风筝线上的电引入莱顿瓶中,赶忙回家进行了各种电学研究,最终揭示了天上的闪电和家用的电其实是一样的,
雷电只不过是强度特别大的电火花放电而已。
富兰克林正在进行著名的风筝实验
随后,科学家们发现地球自身携带着大量的负电荷,而从地面到约50km高度的电离层中分布着等量的正电荷,从而形成了垂直向下的大气电场。
在晴朗开阔的旷野上,从地面垂直向上,每升高1米,电势将增加约130伏,也就是说大气电场的场强大小约为130V/m。这样看来,
一个站在室外的成年人,从头顶到脚底之间竟然有着接近200伏的电压!
为什么平时走在路上没有感到触电呢?
首先,人会触电的原因是有超过人体感知的电流经过人体,人体是一个导体,假如意外触碰到了220伏的家用电,就会被当作一个电路元件接入回路,造成触电事故。
在晴天的大气电场中,空气的导电性能很差,人体始终处于静电平衡状态,也就是从头顶到脚底的电压实际上接近于零,身体内几乎没有电流通过,因此就感觉不到触电了。
但是,如果不幸被雷电所击中,瞬间的大量电流通过人体,就会造成极大的伤害。
科学家们还发现,地面与电离层之间有约1800A的地空电流,源源不断地将正电荷输送到地球,理论上约5分钟后就会将电离层的电能消耗完毕,而大气电场也会消失。
但实际上,晴天大气电场的值是相当稳定的,这就意味着
有特定的「电源」在给电离层充电
。这个特定的「电源」到底是什么?
闪电其实就是给电离层充电的电源。
全球平均每秒产生约100次闪电,雷电流把负电荷从上而下带给地球,从而达到了地球与电离层之间充放电的动态平衡。
传统的全球大气电路模型
我们能利用闪电吗?
既然闪电和日常的电是一回事,每秒全球都有百余次闪电发生,如此多的闪电,如果能收集起来并将其转化为电力,为人所用,那该有多好!
闪电的分类
以闪电发生的位置划分,通常分为云闪和地闪两类。
击中地面的闪电称为地闪,约占全部闪电的
1/3
,而发生在云中的闪电,也就是没有击中地面的闪电称为云闪,约占全部闪电的
2/3
。
对于地闪,如果
按照中和电荷的极性划分
,将云中的负电荷转输送地面的闪电称为负地闪,其电流方向向上,约占全部地闪的
90%
,而将云中的正电荷输送到地面的闪电称为正地闪,其电流方向向下,仅约占全部地闪的
10%
。
按照闪电的始发位置
的划分,从地面始发向上发展的称为
上行闪电
,上行地闪一般较少见,而从云中向下发展的称为
下行闪电
。因此,
地闪总共可以分为下行负地闪、下行正地闪、上行正地闪、上行负地闪四种,而最常见的为下行负地闪。
四种类型的地闪
闪电是如何形成的?
闪电一般产生于
对流发展旺盛的积雨云
中,积雨云中的霰粒和冰晶等粒子发生碰撞,使云中不断分离出正、负电荷,积累到一定程度时,就会击穿空气,闪电过程由此开始。
此时,同一击穿点会派出两支「先遣部队」沿相反的方向同时延展通道,一支「先遣部队」带正电荷朝着云内负电荷区前进,另一支「先遣部队」带负电荷朝着云内的正电荷区前进,直到打通整个闪电通道。
每支「先遣部队」我们称为「先导」,而这种两支「先遣部队」携带相反电荷、同时延展则称为「双向先导」。
以下行负地闪为例,一小团负电荷作为「先遣部队」在电场的指引下,沿着电阻最小路径从云中向地面进发,肩负着打通云地闪电通道的使命。在其经过的路径上,空气被电离,形成电离通道,导电能力也大大增强。
不过,这支「先遣部队」也会疲倦,
每走1微秒大概几十米的距离便会停下约50微秒进行能量补给,之后继续前进探路。
这一过程就像下台阶一样,所以「先遣部队」称为梯级先导。
有时「先遣部队」也会兵分多路,这就形成了闪电的分支形状。
当「先遣部队」到达地面以上几十米至上百米距离时,会有一个或多个「接应部队」从地面出发向来迎接,称为连接先导。当「先遣部队」与「接应部队」胜利会师之时,云地之间的闪电通道彻底被打通,
地面向着这条刚刚被打通的通道猛烈的释放大量的正电荷,这个过程叫做回击。
回击峰值电流强度高达数万安培,回击能量的迅速释放将加热原先的先导通道,温度在瞬间达到30000K,由此产生的高温高压使通道迅速扩张,并产生冲击波,就形成了雷声。
一次先导和回击的过程构成
闪电的一次脉冲
放电
。一般闪电是由多次脉冲放电构成。在第一次脉冲放电之后,经过短暂休息,又会发生第二次放电过程。第二个放电过程也是从先导开始,到回击结束。
由于经第一次放电过程后,闪电通道已经建立通畅,所以第二次的先导就不再逐级向下探路,而是从云中直接到达地面。这种先导叫做
箭式先导或直窜先导
。而由直窜先导引导的回击称为
。
负地闪发展示意图
闪电的威力来自它巨大的电流,峰值电流强度可达几万安培,但是
持续时间极短,仅有数十微秒。
据估算,从一道闪电中大约可获取约200-300度电,能够供一个普通家庭使用一个月。而每年全球发生14亿次闪电,而
云闪自然是无法收集的
,理论上可以收集的4亿次地闪所能提供的总电能在1000亿度左右。据统计,2023年全球发电总量在30万亿度,
闪电所能提供的电能仅能供全球使用9天
,这么看,闪电的电能也只是九牛一毛。
此外,我们还无法准确预测雷击位置,因此难以做到捕捉自然闪电,而且将闪电的数百万伏高压电降压至220伏并入电网也是一项极为艰巨的任务,以现在的技术也无法实现。所以,想要捕获闪电提供电能服务人类,也只是天方夜谭。
闪电的益处
虽然目前我们无法捕获闪电,不过闪电在自然界中有非常大的作用。雷电发生时,
空气中氮气和氧气被完全电离、化合形成氮氧化物,并溶解在雨水中降落至地面,成为天然氮肥。
雷电制造的高浓度负氧离子,可以起到消毒杀菌、净化空气的作用,让人感觉心旷神怡。此外,雷电还能促进生物生长。
至今,雷电仍有许多未解之谜等待我们去探索,而科学家们对雷电的研究也从未停止。