狂暴大地閃電  作者/桂雨

 

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*閃電的起因:

1.      雷暴形成

在溫暖而潮濕的夏季日子裡,地表白天受熱,而地面吸收了熱量後又不停把熱量再輻射出去。正午後太陽輻射能開始減弱,而地面吸收的熱量卻達到了最大值。當地面輻射更多熱量時,氣塊就更易上升,若氣塊的溫度在它上升中仍能較上面的環境空氣溫度高,及不穩定就會出現。如果地表加熱空氣的條件維持,氣塊不斷上升形成上升氣流,此時若氣塊含有水氣的話,雷暴的積雲階段就開始了。

上升的氣塊構成了雷暴的基點雷暴細胞。當氣塊繼續向上移動,氣柱引起了近地面氣壓的不平衡,這種不平衡把更多空氣吸收到系統中來加強雷暴細胞。

閃電和雷聲是雷暴的象徵。在夏季的傍晚,人們常聽到和看到這種遠處的雷暴景象。

 

2.      雲內閃電(in-cloud lightning)

0℃層以上,即空氣溫度下降到冰點的高度以上,雲內的液態水變成冰晶和過冷卻水滴(0℃卻來不及凝結就落下的水滴)。由於空氣的密度不同,造成了空氣對流,在這些水滴或冰晶摩擦碰撞的過程中產生電荷。如雲內出現兩個足夠強的相反電位,帶正電的區域就會向帶負電的區域放電,結果就產生了雲內閃電(in-cloud lightning)或雲間閃電(cloud-to-cloud lightnung)。風暴細胞內8成的放電過程屬於這種類型。

 

3.      雲對地閃電(cloud-to-ground lightning)

這是最廣為研究的類型,主要是因為它們對人們的生命財產有極大的威脅性。

在一次正常的閃電前,雲裡的電荷分布是這樣的:在底部是較少的正電荷,在中下是較多的負電荷,在上部是較多的正電荷。閃電由底部和中下部的放電開始。電子從上往下移動,這一放電由上向下呈階梯狀進行,每級階梯的長度約為50米。兩級階梯間約有50微秒的時間間隔。每下一級,就把雲裡的負電荷往下移動一級,這稱為階梯先導(stepped leader),平均速率為1.5×105公尺/秒,約為光速的兩千分之一,半徑約在110公尺,將傳遞約五庫侖的電量至地面。當階梯先導很接近地面時,就像接通了一根導線,強大的電流以極快的速度由地面沿著階梯先導流至雲層,這一個過程稱為回擊,約需70微秒的時間,約為光速的三分之一至十分之一。典型的回擊電流強度約為一至兩萬安培。如果雲層帶有足夠的電量,又會開始第二次的階梯先導。

一個階梯先導加上一個回擊稱為一擊”(a stroke),三到四個一擊組合成一個閃光(flash),而一個閃電又是由多個閃光所組成。

雷擊又分為負雷擊(negative stroke)及正雷擊(positive stroke),也就是由雲層往地面傳下來的是正電荷。正雷擊的發生機率比負雷擊小,但攜帶的電量會比負雷擊大,曾測量到的最大值為300庫侖。正雷擊通常只有一擊,有第二擊的正雷擊相當少見(因為雲層內靠近地面的正電荷較少)

 

                4.  地對雲閃電

除了有雲層到地面的閃電之外,也有由地面到雲層的閃電。由地面到雲層的閃電,它們的階梯先導由地面延伸至雲端,可攜帶正電荷或負電荷,兩種電性的先導都曾被觀測到。然而這樣的閃電並不常見,它們通常都是由高的建築物頂端往雲層放電,而且特別的是,它們通常沒有回擊,並且只有一擊。除此之外,地面對雲層的閃電偶爾會與向下進行的正閃電連結。

 

*閃電與雷聲:

一次閃電是由多次的放電組成的,每次的回擊的通路溫度可高達30000℃,比太陽表面的溫度6000℃更高許多倍,由於溫度這麼高,所以  通路附近的氣體就發生爆發性膨脹,造成強烈聲波,這就是雷聲。當階梯先導與回擊相遇時,就會產生非常亮的光。這一強電流高亮度的區域沿著閃電通路上行至雲端,但觀察者對這一迅速的過程卻察覺不出來,他只能看到一條均勻發亮的線。光線從閃電通路中心產生,其寬度可能不超過幾釐米。

 

*為什麼有時候我們看到的閃電只是一閃而過,而聽到的雷聲卻是隆隆不絕,響好久才停呢?

這是因為天空裡的閃電,一般都是很長的,有的線行閃電長達二至三公里,甚至十公里。由於閃電的各部分跟我們的距離不同,所以雷聲傳到我們耳邊的時間就有先有後了。另外一方面,一次閃電往往包含數個回擊,那麼當第一次回擊時的雷聲還沒有斷絕,又傳來了第二次第三次的雷聲,先後的雷聲混在一起,就成了隆隆不斷的雷聲。

還有,當雷聲遇到地面,建築物,高山或天空的雲層時,都會發生反射,產生回聲。這些回聲傳到我們耳朵裡的時間也是不一致的,因此就形成了隆隆的雷聲。

 

   一次閃電的光能持續多久?

在大雷雨的晚上,街道上一片漆黑,幾乎看不清一切事物。但是在閃電的一剎那,我們卻能夠在這極短促的時間裡,看到街道上奇怪的景緻:街道上原來正在活動著的東西,一下子都變成凝結了似的,行人士一隻腳踏著地,一隻腳臨空舉在那裡不動,行駛的車輛也像停在那裡一樣……

產生這種現象的原因,是因為閃電的持續時間非常短促,在這短暫的時間裡,物體位置的移動使人眼睛很難觀察出來,所以熙熙攘攘的街道,在閃電的光之下,似乎變得完全不動了。

那麼閃電的光能持續多久呢?

它的一閃的時間很難用普通方法測量出來,因為每一次閃光所持續的時間,常常比萬分之一秒還要短,最長的也不會超過千分之一秒(1微秒),這速度是非常驚人的。

我們一般拍照時,照相機快門的速度是五十分之一秒,百分之一秒或一百五十分之一秒,拍正在運動的動作是一百五十分之一秒,二百五十分之一秒或五百分之一秒的快門,就是拍攝高速飛行的噴射機,用千分之一秒的快鏡也就可以了。所以,再這極短的時間裡,即使是迅速奔馳著的汽車,它的車輪上的每一個花紋也只移動幾萬分之一公分,這樣的運動,在人眼裡當然跟靜止的沒有分別了。

 

*為什麼雷容易打中孤立高聳的物體?

由於雷雨雲的雲底有帶電,能使地面發生感應,並使地面產生與雲底的電性不同的電荷。這稱為「感應電荷」。

這種感應電荷在小範圍的地面上是同一性質的,例如都是正電,或者都是負電。同一種性質的電荷是互相排斥的。排斥的結果,就使得電荷在地面上重新分布,這種排斥力沿地面方向的分力,在彎曲得較厲害的地方要比平坦一些的地面來得小,所以,電荷就必定會移到地面彎曲得厲害的地方去。這樣一來,在彎曲得厲害的地面上,感應電荷就要多一些,密一些了。

高聳的物體,他本身也會成為地面的組成部分,由於他高聳在平地上,所以他就成為地面上最彎曲的一部分,因此當地面受到雷雨雲的感應而產生感應電荷時,在高聳的物體上,就會集中了較多的電荷。

由於高聳的物體所帶的感應電荷比地面多,對閃電的吸引能力大,所以能很容易的將閃電拉過來。

所以在大雷雨時,我們千萬不要躲在高聳的物體,如旗杆,高樹,塔尖,煙囪,電線桿下面躲避。因為那裡是閃電的通道。

由於高聳物體容易遭到雷擊,所以在高大的建築物上一般都安裝避雷針,使建築物免遭雷擊。避雷針是一個頂部高出建築物,下部與地面相接的金屬桿,它能夠吸引附近的閃電到自己身上來,將自己作為閃電的通道,使閃電通過自身而排到地面上去。這樣,原先要擊中建築物的閃電,中途拐了彎,通過避雷針,就不會損壞建築物了。

 

   為什麼總是先看到閃電,後聽到雷聲?

這是因為光的傳播速度要比聲音的傳播速度快得多。光在空氣裡差不多每秒鐘能走三十萬公里,用這樣的速度,一秒鐘可以為繞地球的赤道跑七圈半。聲音在空氣中每秒約走三百五十公尺,差不多只有光速的九十萬分之一。光從閃電發生處傳到地面的時間,一般不過幾十萬分之一秒,可是聲音跑同樣的距離就需要較長時間。根據這個原理,我們可以利用從看見閃電到聽見雷聲相隔的時間,算出閃電距離我們大概多遠。

 

   為什麼有閃電卻聽不到雷聲呢?

有時候,一道閃電劃破夜空,照亮雲際。但是,奇怪的是,之後卻聽不道雷聲。這又是為什麼呢?

這並非是因為閃電距離太遠,而是聲音傳導的方式有異的現象。

音速隨空氣溫度之變化而不同,由低溫處射入高溫處之音波,再靠近其界面時會產生折射。如果射角太大,音波會完全反射而不會折射。相反的,由高溫處射入低溫處時,音波會從界面折射遠去。

如果空氣中的溫度連續變化的話,音波的射線也隨之連續改變形成曲線。

晴天的中午,太陽直射,地面暖和,靠近地面的空氣溫度高,愈至高空溫度越低。所以,由地面音源來的音波遠升高空時斜斜前進。登上高崗,往往聽得見下方傳來的聲音,就是這個緣故。相反的,夜間由於地面較快冷下來,下層空氣之溫度變低,相同音源來的音波在靠近地面處斜斜前進。因此,音波沿地面聚集,而在夜間聲音聽得較遠。

在高空發生的雷鳴之所以聽不見,就像前述的與大氣中的溫度變化有關。平常,一到夜晚,地面經常是先冷下來。但氣象狀況有異時,高空的溫度下降,而地面卻留著白天的餘溫。此時,高空發生的雷鳴雖向地面前進,但路線卻逐漸向上方折射彎曲,至某處終於轉向上方而去。因此,在地面的人們就聽不到雷聲了。

 

   閃電為什麼能劈開樹木?

閃電內部的溫度可高達3×104℃。閃電劈中樹木時,因樹木中含有水分,強電流立即把水分化為高溫高壓的蒸氣,蒸氣的強大爆發力就能把樹木劈開。

 

   雷雨後為什麼空氣格外新鮮?

夏天的傍晚,有時烏雲,大雨,閃電,雷鳴往往相互交錯,一起降臨。雨後,我們會感到空氣格外新鮮,這是什麼原因呢?原來在閃電時,發生了一場化學變化,空氣中的氧氣有些變成了臭氧。其次是經過了一場傾盆大雨,把空氣中大部分的灰塵給沖掉了。

雷聲是雲中,或雲對地,或地對雲之間正負電荷間的放電作用時所產生的聲音。放電時的電位差,往往達到每公尺幾千到幾萬伏特,所以常常產生巨大的電火花,把空氣中的氧氣激發成臭氧。濃的臭氧是淡藍色的,味道很臭,具有很強的氧化能力,還能夠漂白與殺菌。稀薄的臭氧可一點也不臭。反而會給人清新的感覺。雷雨後,空氣中就瀰漫著少量的臭氧,能夠淨化空氣,使空氣清新。

 

   閃電可以為人們服務嗎?

提起閃電,人們大概立刻就會聯想到那炫目的閃光和震耳的雷聲。的確,許多年來,由於閃電對人畜和建築物的危害,人們總是千方百計的善避雷設備,力求避免和閃電接觸。

其實閃電對農業生產和人類的日常生活關係可大著呢!隨著科學的發展,今天,利用閃電為人類服務的問題,已經被重視和研究。也許,再過不了多少年,我們也將如同廣泛使用避雷針一樣,可以設法用某種特殊設備,把天空的閃電,盡可能的多導引到地面上來應用呢!

閃電在發出閃光的瞬間,它的電力竟然比世界上最大,美國核子水力發電廠還要大上一百倍左右。如果利用這個電力來起重的話,足夠把六七萬公斤重的貨物,舉起一兩公尺這麼高。

不但這樣,閃電還是一個不用人工的天然氮肥製造廠。根據計算,每打一次雷,大約總有一噸到兩噸的氮化合物會隨著雨滴落到地面。這當然會有效的增加土壤的肥沃度。這樣的量,幾乎相等於一個小型化工廠一天的產量。

除了這些以外,閃電還會使天空中有「臭氧」出現。這種氣體具有大量吸收紫外線的功能,使人們不致因為陽光中過量的紫外線的照射而影響健康。

 

   球形閃電

物理學上最有爭議的一個問題是,球形閃電是否存在。很多人看到過球形閃電(約占總人口的5),並發表了不少有關它的報告。但是人們總是把它看成是傳說中的東西,或者是非常明亮的閃電的視覺現象。據說球形閃電會像一個光球,安靜的懸浮在空氣中,或者在房間裡到處跳動好幾秒。它們不論什麼類型的房間都進入過,甚至進入過飛機的座艙,也會出現在曠野。它們出現時大多是無聲無息的,但它們消失時卻會有爆炸聲。它們能置人於死地,據說有的科學家在作雷電試驗時被球形閃電擊斃。世間真有情形閃電存在嗎?它是否是一種幻覺?

球形閃電的成因現在仍在研究中,目前最可信的解釋是:球形閃電是一個等離子球,它的能量是從外部電磁場取得的。雷電或這電荷會使空氣,水蒸氣或其他氣體電離。這些電離了的氣體能保持一團,因為它從總體來說是中性的。它能吸收自然界中無線電波的能量,這些無線電波是雷爆時在地面上或雲層裡產生的。在球的周圍會形成駐波,球就能從它吸收能量。這種外部能源的存在是頗為可信的,否則球形閃電在長時間內保持一定的高度就很難解釋了。內部能源連維持這種亮度幾秒鐘,是很不可思議的。

 

   地震時的閃電

地震能引起閃電嗎?有人認為晴空閃電是地震的先兆。這兩種自然現象有什麼聯繫?

地震時會產生閃電的原因還不清楚。最近有人認為,這一現象與壓電場有關,這一壓電場是地震波通過地表時所產生的(在壓力作用下,有些材料會產生一個電場)。也許這些電場足夠大,引起大氣對地表放電。然而這種解釋還缺少細節的說明和證明。

 

   飛機遭雷擊?

飛機在雲層與雲層之間,或起飛著陸時,都有可能遭到雷擊。發生雷擊的高度以五公里以下為最多。經統計噴射機平均每飛一萬小時,就會遭遇一次雷擊。

當分機遭遇雷擊時,電流可能從雷雲打到飛機頭部,縱向流過機身外殼,最後從機尾凌空打到地上。也可能從其中一機翼打過另外一機翼,橫向流過機身。

一般以金屬類之導體圍住的物體,其內部不受外部電場之影響,而閃電的電流頻率極高,流至金屬時,不會進入當中,僅在金屬的表面流過。一般頻率高的電流只會流過金屬的表面,這種特性稱為「表面效應」(skin effect),故閃電只沿著飛機外殼流過,而不會進入機內對乘客造成傷害。但強電流所形成的磁場,對機上的電子或電氣系統會有影響。

為了減少飛機被雷擊的機會及危害,可採用許多從機身或機翼伸出的避雷針以放電。又採用良導體把機殼不良導體部分,加以連接或遮蓋,以疏導電流。

 

   汽車遭雷擊?

金屬是店的良導體,而汽車整體之大部分都是金屬作成的。同時,有些金屬是落在外面的,這麼一來,雷落在汽車上並非不可思議了。但是卻未發生過乘客因而死亡的事情。

這是為什麼呢?事實上,雷並非不會落在汽車上,如果條件充分的話,雷也會落在車上的。汽車在街上行駛的話,因周圍的建築物很高,雷會落在高的建築物,但是在周圍沒有高建築物的原野或山上,汽車就很有可能遭雷擊。

那麼,遭雷擊時,裡面的乘客安全嗎?高壓且大量的電流打下來,不會使人觸電死亡嗎?

置於電場中的導體有如下之性質:

「以金屬版或鐵絲網等導體圍成的容器置於電場內,容器之內部空間無電場。」

這種現象就叫做電屏(electric screening)

依據導體這種性質,被金屬板包圍的汽車內部空間裡,當雷擊中時,並不形成電場。

因而,汽車即使遭到雷擊,內部的電場為零,電流不流到內部而通過導體之表面傳到地上去。而且,車體全體是相同電位,即使雷電達一百萬伏特之高電位,車內的人仍是安全的。

 

   打雷和暴雨

以許你會注意到,在打雷以後雨會下得特別大。暴雨與雷電有什麼關係?或只是一種巧合?

有時候,水滴部分的被電場力保持在雲朵裡。打雷以後,這些電場消失了,這樣就增加了下降的雨滴數量。如果電場重新加強,雨又會減小。

 

   遭雷擊而不死

有許多人直接或間接被雷擊而不死。甚至有的人被雷擊,停止呼吸20分鐘後仍能完全恢復,他的大腦也沒有因為雷擊或缺氧而受到不可逆轉的損害。有人猜想,這種休克能暫時減少腦部所需的氧氣。當然,這些受雷擊的人沒有嚴重的燒傷,心臟也沒有停止跳動。為什麼會出現這種現象?

當電流通過人體時,人會因內臟受傷而死亡,但當人體潮濕時,電流可能不穿透他的身體,大部分只經過他潮濕的皮膚流向地面。這時呼吸和心跳可能中斷。經過即時的人工呼吸搶救,人就能很快活過來。很多情況下,受難者不是被雷直接擊中的,而是被雷電的一個分枝所擊中或是被地上的電流所傷害。

當電流通過人體,所引起的後果大致如下:

1.1 ~ 3.5毫安:對電流有感覺,但無明顯致病現象。

3.6 ~ 4.5毫安:不習慣的人有疼痛感覺。

6  ~  7毫安:手臂有疼痛感,手臂肌肉輕微痙攣。

8        ~ 10 毫安:明顯疼痛感,手臂肌肉痙攣性收縮,手難以擺脫電源。

11 ~ 12 毫安: 劇烈疼痛,手臂痙攣收縮,與電流接觸的耐受時間不超過三十秒。

13 ~ 17 毫安:劇烈疼痛,不能自己鬆開手,不能拋開電極。

20 ~ 30 毫安:動脈血壓升高,手不能擺脫電源,有時致死。

50 ~ 70 毫安:呼吸麻痺,心室纖顫。

90 ~ 100毫安:呼吸麻痺,心室纖顫後心室停搏。

心室纖顫會使血液循環停止,從而造成死亡。如果只受了一下短促的電擊則還有救活的可能。流過觸電者身上的電流強度主要是由皮膚的電阻決定,皮膚的乾濕,人體的功能狀態(如疲勞,受熱,著涼,創傷等),電流通路(流過心臟或腦最危險)都對電阻值有影響。濕皮膚的電阻約為1000歐姆,乾皮膚的電阻約為500千歐姆。體內的組織和器官其電阻要小得多,約為100500歐姆之間。觸及的電壓低,人體電阻值較大;電壓高,則電阻值明顯下降。

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後   記

這篇物理報告的靈感是來自翻閱期刊時偶然看到的一篇論文,不過這篇論文比較偏理論一點,所以當初看的時候半懂半不懂。後來又找到了幾本有談到閃電的物理書籍,但是裡面又講得太淺了,許多東西都簡化掉了,所以我從期刊論文裡面取了一些內容出來,經過簡化之後,才成為真正解釋一些問題的答案。

 

一直覺得閃電是很美麗,卻又危險的東西。也曾在Discovery看過以閃電為主題的節目,裡面有介紹專職的閃電攝影師,他們能使用探測電場的儀器來觀察哪裡有雷雲,然後就冒著生命危險去拍攝,其實待在車內是最安全的,但是他們要到車外拿攝影機拍攝閃電,不過雷雲移動的速度其實很快,所以他們常常要拍了就馬上跑。也有介紹效法富蘭克林,以小火箭將雷電導引到地面上來作研究的人,美國有時候不需要雷雲,也不一定會下雨,還是可以誘發閃電產生。

還有模擬閃電打到汽車時的實驗,他們用幾百萬伏特的電壓擊到一台車上,車內放置假人,假人身上裝有探測電流的儀器。幾百萬伏特的電是相當驚人的!不僅發出耀眼的光芒,還有巨大的音爆聲,但是實驗證明,電流無論如何都不會流經人體,所以打雷時,待在車子裡面是很安全的!

閃電的能量相當高,如果能拿來利用,想必又是一項天然的能源。但是事實上,閃電的發生相當難以預測及控制,現在連作實驗研究,都得等待閃電出現的機會,所以雖然早從18世紀富蘭克林導引閃電成功以來,即使花了許多時間研究,仍然沒有有效利用閃電的方法,的確是相當可惜的。

 

關於參考書籍

因為一些書是在學校圖書館找到的,為了不影響別人借閱,所以我只影印了有關閃電的部分下來,但是影印了一疊,裡面也不是全部都有引用,我也忘了記書名。我也從我家書櫃裡找到了幾本書,分別是《科學博物館電》/英文漢聲出版社。《十萬個為什麼物理篇》,《十萬個為什麼氣象篇》/博智文化。


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