閃電

【閃電（】lightning）大氣中發(fā)生的火花放電現(xiàn)象。它通常在雷雨云情況下出現(xiàn)，壯觀而又引入注目。但在兩層云、雪暴、塵暴以及火山爆發(fā)時，偶爾也會出現(xiàn)。閃電按其發(fā)生的鄰位可分為云內(nèi)放電，即在一塊云的不同部位之間的放電現(xiàn)象；云際放電，即在兩塊云之間發(fā)生的放電現(xiàn)象；云地放電，即云一地之間的放電現(xiàn)象。前兩種統(tǒng)稱為云放電或云閃，后一種亦稱為地閃。地閃只占閃電總數(shù)的1／3－1／6，并隨地區(qū)而異，溫帶地區(qū)比值高，熱帶地區(qū)比值低。

由于地閃對人類活動和生命安全有較大威脅，所以對地閃研究遠多于云閃。除以上三種閃電外，偶然在云體與空氣中的見荷密集處之間也會發(fā)生放電，稱為空中放電。閃電的形態(tài)除最常見的線狀閃電而外，還有鏈狀、片狀、帶狀、火箭優(yōu)、球狀等，尤以球狀閃電引人注目，并展開了較廣泛的觀測與研究。

人們所說的閃電，通常指看來只是一瞬間閃光的線狀閃電，通過博伊思相機之類的高速攝影儀器，揭示出它實際上是沿空間同一條通道、彼此相隔百分之幾秒的許多相繼的放電成分（閃擊）所構(gòu)成的。一次云一地閃電整個持續(xù)時間約0．2秒，約輸送數(shù)十庫侖負電荷。由于閃電現(xiàn)象與氣體放電、等離子物理等學(xué)科有關(guān)，所以廣泛開展了閃電物理學(xué)的研究，成為大氣電學(xué)的重要內(nèi)容。

閃電這一自然現(xiàn)象遠在人類出現(xiàn)之前在地球上就已經(jīng)存在。雷電發(fā)出劃破長空和炫目的閃光以及隆隆雷聲，造成人畜傷亡，乃至點燃燎原大火，令人震撼。閃電現(xiàn)象的劇烈和種種威力，不能不在遠古人類的內(nèi)心產(chǎn)生畏懼和神秘感，并慢慢形成為對雷電的崇拜并演變出“雷公”和“電母”的神話。

《山海經(jīng)》中有多處關(guān)于雷神的記載，稱雷神是“龍身而人頭，鼓其腹”。大約在唐宋時期，閃電之神變成電母。唐朝崔致遠寫道，“使電母雷公，鑿?fù)庥虺熘贰?。宋朝和元朝之后，電母更有了名和姓，雷公和電母也被賦予代表上天懲惡揚善的職能。這種對雷電的崇拜同樣出現(xiàn)在世界許多其他古老民族。保存了印度最古老神話的《梨俱吠陀本集》，其主角天神因陀羅是雷雨之神。希臘神話中居于諸神之首的是雷神宙斯。維柯《新科學(xué)》認為，雷神崇拜是宗教的起源，并認為“宙斯”這個詞的發(fā)音是模擬雷聲的，這和漢字“龍”的發(fā)音模擬隆隆雷聲的方式是一致的?！队〉诎采裨捄蛡髡f》中的雷神，成了創(chuàng)造人類的始祖神。但是除了神話，在中外歷史文獻中留下了許多古代關(guān)于雷電和雷擊災(zāi)害事件的精彩生動的記錄，也不乏帶有樸素唯物主義成分的關(guān)于雷電成因的論述。例如，沈括在《夢溪筆談》中有雷電熔化金屬詳細情況的記載：“內(nèi)侍李舜舉家曾為暴雷所震。其堂之西屋，雷火自窗間出，赫然出檐。人認為堂屋已焚，皆出避之。及雷止，其舍宛然，墻壁窗紙皆黔。有一木格，其中雜貯諸器，其漆器銀扣者，銀悉熔流在地，漆器曾不焦灼。有一寶刀，極堅鋼，就刀室中熔為汁，而室亦儼然。人必謂火當先焚草木，然后流金石。今乃金石皆鑠，而草木無一毀者，非人情所測也?！蹦纤吻f綽在《雞肋篇》中講到：“余守南雄州，紹興丙辰年（1136年）八月二十四視事。是日，大雷破樹者數(shù)處，而?；鬯缕召t像亦裂，所乘獅子凡金所飾與像面皆銷釋，而其余采色如故。與沈（括）所書蓋相符也?！?/P>

在古希臘亞里士多德的著作中也有過一條類似記載：“據(jù)說曾經(jīng)雷擊的一支矛，它的銅頭是被熔化了的，其木柄卻全無損壞”。對于18世紀以前的古人來說，雷擊房舍和物體，能夠熔化金屬，卻未損壞木質(zhì)之類的絕緣材料的現(xiàn)象是難以解釋的。關(guān)于雷電的成因，在我國古代有兩種學(xué)說：一種是戰(zhàn)國時期慎到首先主張的“摩擦形成說”。他認為“陽與陰夾持，則磨軋有光而為電”。另一種是漢代王充等所主張的“爆炸起電說”，他在《論衡·雷虛篇》中用“一斗水灌冶鑄之火，氣激襞裂，若雷之音矣”。王充對雷電現(xiàn)象的季節(jié)性變化也有過精彩的敘述，他寫道：“雷者，太陽之激氣也，何以明之？正月陽動，故正月始雷。五月陽盛，故五月雷迅。秋冬陽衰，故秋冬雷潛?！币馑际牵捍杭咎枱崃ψ饔脻u強，有雷電開始發(fā)生；夏季太陽熱力作用強盛，雷電活動頻繁；秋冬太陽熱力作用已經(jīng)衰弱，雷電現(xiàn)象就很少了。因此說雷電由太陽熱力所激發(fā)。在西方，亞里士多德認為閃電和雷聲是從地表發(fā)散出的干和濕散發(fā)物相互作用的結(jié)果，隨著散發(fā)物的冷凝形成云，云越積越濃密，干的散發(fā)物受到排斥，干散發(fā)物撞擊濃密的云，發(fā)出雷聲。

18世紀隨著物質(zhì)電性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，一些科學(xué)家注意到電火花發(fā)出的聲音和表現(xiàn)類似于閃電和雷聲，雖然自然雷電現(xiàn)象要更加強烈。所以他們提出雷暴以某種方式產(chǎn)生電，再通過閃電形式放電。富蘭克林（Benjamin Franklin）在1751年建議利用高的金屬桿把云中的電引下來，他設(shè)計的方案見圖11a，圖中金屬桿與地絕緣，觀測者手持的地線接近金屬桿，當雷雨云經(jīng)過頭頂時在金屬桿與地線之間有電火花跳過。之后法國皇家宮廷決定進行富蘭克林所描述的實驗，檢驗云是不是帶電，1752年5月10日實驗成功了。1752年6月富蘭克林也成功地進行了著名的風(fēng)箏雷電實驗，幾乎同時還有其他科學(xué)家利用金屬桿、風(fēng)箏和氣球繼續(xù)進行這一實驗，俄羅斯科學(xué)家里赫曼（Richman）在實驗現(xiàn)場遭雷擊犧牲。

接著在1752年9月富蘭克林又設(shè)計和進行了獲得雷暴電極性的實驗， 他在他的房頂安裝了3 m高的閃電柱（lightning rod），柱的下端連接一個鈴；地線跟閃電柱間距15 cm，頂端也設(shè)置一個鈴；在柱和地線之間吊掛一個金屬球。當雷暴云過頭頂時，閃電柱下端鈴上帶有云感應(yīng)電荷，懸掛的金屬球受到靜電感應(yīng)并被吸引向右側(cè)運動，與右側(cè)鈴接觸，得到同極性電荷，受到排斥再向左擺動；又與左側(cè)鈴接觸，釋放電荷后，便繼續(xù)在左右兩個鈴之間往返擺動，發(fā)出鈴聲，警示主人自己正臨近雷暴。而且只要再用一個帶已知極性電荷的小球靠近懸掛的金屬球，便能夠決定雷暴云感應(yīng)電荷的極性。（提醒讀者：這個裝置是早期實驗用的，有遭受雷擊的危險，不能簡單地模仿試驗?。└惶m克林在實驗研究的基礎(chǔ)上進一步提出了利用閃電柱（即避雷針）的防雷方法，其基本原理沿用至今。另外，幾乎在同時代，一些法國和意大利科學(xué)家觀測揭示了大氣存在晴天電場。

正是18世紀以富蘭克林為代表的一批杰出科學(xué)家進行的大量開創(chuàng)性科學(xué)實驗，初步揭示了雷電是雷暴云放電的本質(zhì)，自遠古時期就彌漫在人類心頭對雷電的迷惑開始散去，初步奠定了雷電科學(xué)的基礎(chǔ)。由于觀測手段的局限性，此后的一個多世紀，〖JP+1〗科學(xué)界對于自然雷電特性和規(guī)律的認識沒有實質(zhì)性進展。雷電科學(xué)知識的下一個新飛躍是在20世紀高速照相技術(shù)和新的大氣電場觀測技術(shù)發(fā)明以后，尤其是20世紀最后二三十年內(nèi)，隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)以及衛(wèi)星遙感技術(shù)相繼應(yīng)用到雷電的觀測研究中，對雷電特征和規(guī)律性的認識有了很大的豐富和深化，雷電監(jiān)測和防護技術(shù)有了很大的發(fā)展，但是對于雷暴云起電機制、閃電啟動和傳播規(guī)律以及接地過程和防護方法仍然存在許許多多需要深入研究的課題。

超長距離的閃電放電產(chǎn)生強大的電流，同時還會伴隨強烈的發(fā)光、高溫、電磁輻射，沖擊波和隆隆雷聲，光、電磁和聲發(fā)射是同一個閃電放電過程產(chǎn)生的不同物理效應(yīng)和現(xiàn)象，習(xí)慣上對閃電和雷電兩個名詞的含義常常不加區(qū)別。

研究表明，由于雷雨云內(nèi)云電荷的逐漸累積和正負電荷中心的分離，在云內(nèi)，或云地，或云空之間造成強電場，其中一定局部區(qū)域內(nèi)電場強度達到空氣擊穿閾值（一般150~250 kV/m以上），形成導(dǎo)電性的先導(dǎo)；先導(dǎo)形成后在那個強電場中又可以自持傳播，以至于云間閃電通道可以傳播幾千米至幾十千米，云地閃通道長度也可能超過幾千米至10 km以上。

需要說明的是，人們已經(jīng)觀測到地球大氣沙塵暴、地震和火山噴發(fā)時也發(fā)生大氣放電事件，其放電通道一般超過幾米至數(shù)百米，也是一種跟閃電相類似的大氣放電現(xiàn)象，另外還發(fā)現(xiàn)地球中層大氣出現(xiàn)多種形態(tài)的低亮度放電現(xiàn)象，如幽閃（sprites），藍色激閃(blue jet)，暈閃(elves)等，觀測到其他行星大氣中也存在閃電現(xiàn)象。為了確切起見，學(xué)術(shù)界在論述這一系列放電現(xiàn)象時，都采用某種放電事件，例如火山放電事件的稱呼，以區(qū)別于跟雷暴相聯(lián)系的閃電含義。

根據(jù)關(guān)注的特征不同，閃電的分類有多種形式：按照閃電通道是否觸及地面，一般把閃電分為云地閃電和云閃兩類；按照發(fā)生的空間位置的不同，云閃又可分為云內(nèi)閃電、云際閃電和云空閃電。

閃電按形狀又可分為線狀閃電、片狀閃電、球狀閃電、帶狀閃電、聯(lián)珠狀閃電、火箭狀閃電、黑色閃電等。

線狀閃電 線狀閃電與其它閃電不同的地方是它有特別大的電流強度，平均可以達到幾萬安培，在少數(shù)情況下可達20萬安培。這么大的電流強度，可以毀壞和搖動大樹，有時還能傷人。當它接觸到建筑物的時候，常常造成“雷擊”而引起火災(zāi)。線狀閃電多數(shù)是云對地的放電。

片狀閃電 片狀閃電也是一種比較常見的閃電形狀。它看起來好像是在云面上有一片閃光。這種閃電可能是云后面看不見的火花放電的回光，或者是云內(nèi)閃電被云滴遮擋而造成的漫射光，也可能是出現(xiàn)在云上部的一種叢集的或閃爍狀的獨立放電現(xiàn)象。

球狀閃電 球狀閃電是閃電形態(tài)的一種，亦稱之為球閃，民間則常稱之為滾地雷。是一種十分罕見的閃電形狀，卻最引人注目。它像一團火球，有時還像一朵發(fā)光的盛開著的"繡球"菊花。它約有人頭那么大，偶爾也有直徑幾米甚至幾十米的。球狀閃電有時候在空中慢慢地轉(zhuǎn)游，有時候又完全不動地懸在空中。它有時候發(fā)出白光，有時候又發(fā)出像流星一樣的粉紅色光。球狀閃電"喜歡"鉆洞，有時候，它可以從煙囪、窗戶、門縫鉆進屋內(nèi)，在房子里轉(zhuǎn)一圈后又溜走。球狀閃電有時發(fā)出"咝咝"的聲音，然后一聲悶響而消失；有時又只發(fā)出微弱的噼啪聲而不知不覺地消失。球狀閃電消失以后，在空氣中可能留下一些有臭味的氣煙，有點像臭氧的味道。球狀閃電的平均直徑為25厘米，大多數(shù)在10～100厘米之間，小的只有0.5厘米，最大的直徑達數(shù)米。球狀閃電偶爾也有環(huán)狀或中心向外延伸的藍色光暈，發(fā)出火花或射線。顏色常見的為橙紅色或紅色，當它以特別明亮并使人目眩的強光出現(xiàn)時，也可看到黃、藍和綠色。其壽命只有1～5秒，最長的可達數(shù)分鐘。

球狀閃電的行走路線，一般是從高空直接下降，接近地面時突然改向作水平移動；有的突然在地面出現(xiàn)，彎曲前進；也有沿著地表滾動并迅速旋轉(zhuǎn)的；運動速度常為每秒1～2米。它可以穿過門窗，常見的是穿過煙囪后進入建筑物，它甚至可以在導(dǎo)線上滑動，有時還發(fā)出“嗡嗡”響聲。多數(shù)火球無聲消失，有的在消失時有爆炸聲，可以造成破壞，甚至使建筑物倒塌，使人和家畜死亡。遇人遇物后即發(fā)生驚人的爆炸，產(chǎn)生刺鼻的氣味，造成傷亡、火災(zāi)等事故。

預(yù)防球狀閃電的辦法是，在雷雨天氣，緊閉門窗，避免穿堂風(fēng)。如果遇到飄浮的“火球”，輕輕的避開它，千萬不要去碰它。 　　科學(xué)家推測，球狀閃電是一種氣體的漩渦產(chǎn)生于閃電通路的急轉(zhuǎn)彎處，是一團帶有高電荷的氣體混合物，主要由氧、氮、氫以及少量的水組成。通常發(fā)生在枝狀閃電之后，似乎枝狀閃電是產(chǎn)生球狀閃電的必要條件。球狀閃電較為罕見，因而研究它十分困難，至今仍然是自然界中的一個謎。

帶狀閃電 帶狀閃電是由連續(xù)數(shù)次的放電組成，在各次閃電之間，閃電路徑因受風(fēng)的影響而發(fā)生移動，使得各次單獨閃電互相靠近，形成一條帶狀。帶的寬度約為10米。這種閃電如果擊中房屋，可以立即引起大面積燃燒。

聯(lián)珠狀閃電 聯(lián)珠狀閃電看起來好像一條在云幕上滑行或者穿出云層而投向地面的發(fā)光點的連線，也像閃光的珍珠項鏈。有人認為聯(lián)珠狀閃電似乎是從線狀閃電到球狀閃電的過渡形式。聯(lián)珠狀閃電往往緊跟在線狀閃電之后接踵而至，幾乎沒有時間間隔。

火箭狀閃電 火箭狀閃電比其它各種閃電放電慢得多，它需要l～1.5秒鐘時間才能放電完畢。可以用肉眼很容易地跟蹤觀測它的活動。

黑色閃電 一般閃電多為藍色、紅色或白色，但有時也有黑色閃電。由于大氣中太陽光、云的電場和某些理化因素的作用，天空中會產(chǎn)生一種化學(xué)性能十分活潑的微粒。在電磁場的作用下，這種微粒便聚集在一起，形成許多球狀物。這種球狀物不會發(fā)射能量，但可以長期存在，它沒有亮光，不透明，所以只有白天才能觀測到它。 

1、靜電感應(yīng)
雷雨云臨空，裸露的金屬板（如金屬屋頂）由于靜電感應(yīng)而帶上與積雨云中下部電荷異號的電荷，這時金屬屋頂面與積雨云間可組成一個電容器，電力線從云中電荷指向金屬屋面或者相反。 這個電場對電容器外的地面物可以說作用很微弱，金屬屋面所帶的電荷是被束縛住的。但是積雨云一旦放電，雷擊附近地區(qū)，積雨云下部的電荷消失，這時金屬屋頂面所帶的電荷如果不能迅速地泄放，它與鄰近的地面物體之間就可以產(chǎn)生很高的電位差(即高電壓)，甚至發(fā)生閃絡(luò)，造成雷擊危害。這種形式的雷擊起因于靜電感應(yīng)，被稱為感應(yīng)雷擊，或稱為二次雷效應(yīng)。要減少這種雷害，就得設(shè)法使金屬屋面的感應(yīng)電荷迅速減少，為此必須按照防雷工程設(shè)計要求，架設(shè)幾條足夠粗的金屬導(dǎo)體，把它與金屬屋面焊接之后良好地接地，以泄放電荷。
2、電磁輻射
閃電電磁輻射嚴重干擾無線電通信和各種設(shè)備的正常工作，是無線電噪聲的重要來源，在一定范圍內(nèi)造成許多微電子設(shè)備的損壞，引起火災(zāi)，已成為20世紀80年代之后雷電災(zāi)害的極重要的原因。但是另一方面，閃電產(chǎn)生的電磁場效應(yīng)又是進行雷電探測的重要信息，由此可獲知閃電電流、閃電電荷、閃電電矩以及云中電荷分布等各種閃電電學(xué)參量。此外，根據(jù)遠距離閃電輻射的電場、磁場波形的觀測，還可以進行實用價值較大的雷電定位、監(jiān)測和預(yù)警工作。閃電的強大電流使得閃電通道內(nèi)的氣體分子和原子被激發(fā)到高能級，從而產(chǎn)生光輻射。對這種光輻射可進行照相觀測，從而獲得地閃結(jié)構(gòu)的豐富信息?？梢詫廨椛溥M行光譜觀測，鑒別光譜的譜線，從而獲知閃電通道中各種發(fā)光粒子的成分。對光譜譜線的強度和線寬做定量分析，就能進一步獲知閃電通道的平均溫度、平均電子密度、平均氣壓和平均氣體密度等閃電通道物理參量。