雷电
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雷电名词解释:闪电与响雷。它是大气中瞬间的、光亮的放电现象以及由此产生的声波。
闪电通常是由积雨云(或称雷雨云)产生的。这类云容易在大气状态不稳定的条件下由冷、热空气上、下对流运动时形成。在这种云内有许多因素导致电荷的产生与分离,最后形成的电荷分布为:云的上部带正电,中部和底部带负电。当云内的起电作用达到相邻两电荷中心(云与云或云与地)之间的电场强度为击穿值时,就产生了称为闪电的大型火花。当空气内存在水滴时,击穿的场强值约为10,000伏/厘米。
对于雷电现象,中国早在秦、汉时期就有记载,但首先揭示闪电性质的是美国科学家富兰克林。他于1752年7月进行了著名的风筝探测雷电的实验,观察到通过风筝引线由积雨云产生的火花,从而证实自然闪电和摩擦产生的电的本质的一致性。
闪电按产生的部位来分类有云内放电、云际放电和云地放电。前两种称为云闪,第三种称为地闪。人眼所看到的地闪似乎是一次由云中曲折行进到地面的瞬间闪光,实际上它是由多次相继放电所组成,这些放电彼此间隔约为百分之几秒,并且通过同一通道。闪电过程中的每一次放电称为闪击,一次闪电所含的闪击数可多达三四十次。闪击含有先导和回击两个过程。其中先导是为闪电放电建立电离通道的准备过程,它又分为梯级先导和直窜先导两种,梯级先导是像阶梯一样逐级伸向地面的暗淡光柱,它的平均速率为106米/秒数量级,当先导离地面5米~50米时,地面上某点将产生沿此通道向上行进的回击过程,回击的发光度要比先导强得多,平均在约6微秒左右的时间内,回击的电流达极大值,通常超过30000安,有时高达200000安。人们见到的闪光即为回击,经百分之几秒后,有第二次回击,自第二次回击开始的先导都为直窜先导,因为此时已无梯级,先导由云到地直窜而下,其平均速率比梯级先导约高一个数量级,整个闪电约持续0.2秒,由云中向地面输送的电荷量约为数十库仑。用流光理论可以较好地解释闪电过程。
闪电所产生的电场有静电场、感应场和辐射场。在放电近处,静电场作用大;离放电很远处,辐射场作用大。闪电时的强电流会产生磁场,在接近闪电区的铁或含铁石甚至会成为永久带磁。
闪电的形状有多种,一般有线状、带状、火箭状、片状、球状等,最常见的是线状闪电,其特征是细亮的发光光柱。
闪电也是一个辐射源。通过对从紫外到红外波段的闪电发射光谱的研究发现:在0.36微米~0.62微米波长范围内有电离氦的分立发射谱线,0.6563微米处是由原子氢引起的强光谱线Ha线,中性氧、氮的明亮光谱线及少数中性氩的微弱光谱线位于红外区,电离氧和氮的分立发射谱线、氰(CN)和分子氮的发射带位于紫外区。被加热的空气作为热辐射源形成微弱的连续光谱背景。
闪电光谱的定量分析表明,闪电通道处的空气温度在几微秒的时间内最高可达25000℃~30000℃,气压可达10个大气压,电子密度为1017~ 1018每立方厘米,几乎达到完全电离。其间,闪道中的空气因突然受热而迅速膨胀并产生冲击波,经传播一定的距离后冲击波退化为声波,即为雷声。由于放电路径的斜向与弯曲,产生闪电的部位与观察者的距离是不等的,所以距离观察者最近部分的声音比来自其它部分的声音先被听到,又加上几个放电常常接连发生,声波的叠加造成了隆隆响声的连续声波。测定闪电与响雷之间的时间差可以估算闪电与观察者之间的距离,用现代化的设备观察雷,可发现雷的频率分布范围从低于10赫到150赫。
虽然大部分闪电是由自然引起的,但偶然也能被很高的建筑物、电视天线或烟囱所触发,穿入雷暴中的飞机和火箭也能触发闪电,这时闪电从金属飞行器的某一部分进入,然后从另一部分出来。
闪电的突然高温、高压及强电流使得它具有很大的危害性,因为燃烧、电击都直接具有杀伤力。据统计,在世界范围内,每年有数以千计的人畜被闪电击伤、击毙。大部分的森林、草地及人工建筑物的起火也归咎于闪电。由于闪电而产生的强电流还能破坏电气设备。然而闪电在大自然的形成及维持生态平衡等方面却起了重要作用,它形成了大气中的含氮化合物,这些物质既对植物生长有利,又为地球上的生命起源作出了贡献。闪电起火可以维持森林地区和草地间的平稳,闪电也能促使雨的形成。