[科普中国]-串珠状闪电

在多云的夜晚,有时天空中会突然出现一连串火球、垂直地悬挂在空中。每个火球的直径约几十米,每两火球间的间隔相当于火球的直径,也大约是几十米;就像一串光芒四射的、巨大的珠串……看到这个现象的人,无不惊讶万分。这是一种球形闪电、叫串珠状的球形闪电:是一种极罕见的自然现象,一股的书都很少提到。串珠状球形闪电是怎样产生的呢?目前还不清楚。

极为罕见的链状闪电,它出现在极 强烈 的雷雨中。这 种闪电很像一批 发光 的链珠,呈暗 淡的 殷红色,挂 在 天空。在 云层背 景的 衬托下,好像一 条虚线 在云幕上慢慢滑行。1916年5月8 日人们在德国的德累斯顿 城上空,看到一 次美丽奇特的链状闪 电。当时,先有 一 个线状闪电从大约 300米高的 云底击落在 一座 钟楼上。当线状 闪 电 熄 灭后,在 原 来的 闪 电通道 上又亮起一 串 珍珠般的亮 点，亮球总共有 32颗,开始时直径为5米,以后逐渐小到1米，整个时间持续二 三秒钟1

雷电的产生雷电的产生

根据大量科学测试得知, 地球本身就是一个电容器, 通常大地稳定地带负电荷 50 万库仑左右。 而地 球上空存在一个带正电的电离层, 这两者之间便形成一个已充电的电容器, 它们之间的电压为 3 00 kV 左右, 并且场强为上正下负。当地面含水蒸汽的空气, 受到炽热的地面烘烤受热而上升,或者较温暖的潮湿空气与冷空气相遇时 , 产生向上的气流。 这些含水蒸 汽的上升 气流上升时, 温度 逐渐下降形 成雨滴、 冰雹( 称为水成物) 。这些水成物在地球静电场的作用下被极化, 负 电荷在上, 正电荷在下。它们在重力作用下, 落下的速度比云滴 和冰晶( 这二者称为云粒子) 落下的速度要大。因此极化水成物 在下落过程中, 要与云粒子发生碰撞。碰撞的结果, 使其中一部 分云粒子被水成物所捕获, 增大了水成物的体积。 另一部分未被捕获的被反弹 回去, 而反弹回去 的云粒子 带走水成物 前端的部 分正电荷, 使水成物带上负电荷。由于水成物下降的速度快, 而 云粒子下降 的速度慢, 因此带 正、 负 两种电荷的 微粒逐渐 分离( 这叫重力分离作用) , 如果遇到上升气流, 云粒子不断上升, 分离 的作用更加明显。 最后形成带正电的云粒子在云的上部, 而带负电的水成物在 云的下部, 或者带 负电的水 成物以雨或 雹的形式 下降到地面。 带电云层一经形成, 就形成雷云空间电场。 雷云空间电场的方向 和地面与 电离层之间 的电场方 向是一致的, 都是 上正下负。 因而加强了大气的电场强度, 使大 气中水成物的极化更厉害, 在上升气 流存在的 情况下, 更加剧重 力分离作用, 使上 下云层的电荷量急剧增加, 因而雷云发展得更快。雷云发展过程中,上下云层 间的距离 是在缓慢的 变大, 而上下云层 的电荷量 是急剧增加。

上下云层间 的电压逐 渐升高, 最终击穿 上下云层间 的空气, 形成云间放电。若带负电的水成物, 以雨或雹的形式 下降到地面, 随着上升气流的减弱或消失, 带正电的云 粒子在重力的作用下逐渐下落。 使得带正电的云粒子, 与带负电的大地或大地上的突出物间的电压不断升高, 最终击穿它们之间的空气, 形成云对大地或大地上的突出物间的放电。大自然中, 雷云的放 电, 95 % 是云对云的放电。我国的雷电高峰大多在 7 、 8 月份。2

雷电的分类雷属于大气声学现象, 是大气中小区域强烈爆炸产生的冲击波形成的声波, 而闪电则是大气中发生的火花放电现象。闪电的形状有好几种: 最常见的有线状(或枝状) 闪电和片状闪电, 球状闪电十分罕见。如仔细区分, 还可以划分出带状闪电、联珠状闪电和火箭状闪电等形状。

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。线状闪电与其他电不同的地方是它电流强度特别大, 平均可达几万安培, 在少数情况下可达20万安培。这么大的电流强度可毁坏和摇动大树, 有时还能伤人。当它接触到建筑物时, 常造成“雷击”而引起火灾。线状闪电多数是云对地的放电。

片状闪电也比较常见。它看起来好像是在云面上有一片闪光。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。片状闪电常在云的强度已减弱、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。

球状闪电罕见而引人注目。它像一团火球, 有时还像一朵发光的盛开着的“绣球”菊花。它约有人头那么大, 偶尔也有直径几米甚至几十米的。它在空中时而慢慢转悠, 时而悬着不动。它有时发出白光, 有时又发出像流星一样的粉红色光。球状闪电“喜欢”钻洞, 有时它可从烟囱、窗户、门缝钻进屋内, 在房子里转一圈后又溜走。它有时发出“咝咝”的声音, 然后一声闷响而消失;有时又只发出微弱的噼啪声而悄然消失。球状闪电消失后, 在空气中可能留下一些有臭味的气烟, 有点像臭氧的味道。球状闪电的生命史不长, 大约为几秒钟到几分钟。

带状闪电由连续数次的放电组成, 在各次闪电之间, 闪电路径因受风影响而移动, 使得各次单独闪电相靠近, 形成一条带状。带宽约为10米。这种闪电如击中房屋, 即可引起大面积燃烧。

联珠状闪电看起来像一条在云幕上滑行或穿出云层而投向地面的发光点之连线, 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。联珠状闪电往往紧跟在线状闪电之后接踵而至, 几乎没有时间间隔。

火箭状闪电比其他各种闪电放电慢得多, 它需要l~1.5秒钟时间才能放电完毕。肉眼很容易地跟踪观测其活动。

人凭肉眼可观测到闪电的各种形状。不过, 要细观测闪电, 最好照相。高速摄影机既可记录下闪电的形状, 还可以观测到闪电的发展过程。使用某些特种照相机(如移动式照相机) ,还可以研究闪电的结构。3

探索大气科学名词与闪电相关天电 atmospherics 大气中放电过程所造成的脉冲型的电磁波。

闪电 lightning 大气中的强放电现象。按其发生 的部位, 可分为 云中、 云间或云地 之间三种放电。

热闪 heat lightning 在远处的闪电, 看上去像是天空或云的短促发光。

闪电通道 lightning channel 闪电 时放电所经过的路径。

先导闪击 leader stroke 爆发性大气放电的第一阶段, 在此阶段建立了一条一般从云向大地传播的电离通道。

回击 return stroke 紧接先导闪击之后, 与其具有相同的闪电通道但方向相反, 强而非常明亮的放电现象。

片状闪电 sheet lightning 呈一片 亮光无明显闪电通道的闪电。

球状闪电 ball lightning 通 常在强雷 暴时出现的 外观 呈球状 的一 种奇异 闪电。 直径 一般为 10 ~ 20c m 。

叉状闪电 forked lightning 以相当明显的弯曲和分叉的枝状形式出现的闪电。

条状闪电 streak lightning 闪电通道呈条状而不分叉的闪电。

串珠 状 闪 电 pearl neck lace lightning 又称 珠 状闪 电 。闪电通道断裂成许多小段, 呈形似一串珠状的闪电。

火箭状闪电 rocket lightning具有肉眼可见的沿主干和分叉光亮快速行进的闪电。4

危害和预防易遭雷击的地点 、 建筑物、 构筑物根据那 林达( N or i n d er) 、 O . 沙卡( S al k a) 及 H. C . 斯捷柯尼科夫的试验 结果和实际 调查资料 证明: 土 壤电阻率 较大的山区和平原, 雷电选择性都比 较明显。 雷击经常发生在有金属矿床的地区及河 岸、 地 下水出口处、 山坡 与稻田接壤 的地带, 及具有不同电阻率的土壤的其它交界地段。 在湖沼、 低洼地区和地下水位高的地方也容易遭受雷击。 此外地面上的设施情况, 也是影响雷击选择性的重要因素。易遭受雷击的建( 构) 筑物: 1 、 高耸 突出的建筑物, 如水塔、电视塔、 高楼等 ; 2 、 排出导电 尘埃、 废气 热气柱的厂房、 管道等;3、 内部有大量金属设备的厂房 ; 4 、 地下水位 高或有金属矿床等地区的建( 构) 筑物; 5 、 孤立、 突出在旷野的建( 构) 筑物。同一 建( 构) 筑物易 遭受雷击 的部位: 1、 平屋面和 坡度≤ 1/10 的 屋面, 檐角、 女 儿墙 和屋檐; 2 、 坡度 > 1 / 1 0 且 1/ 2 的屋面、 屋角、 屋脊和檐角; 4 、 建( 构) 筑物屋面突出部位, 如烟囱、 管道、 广告牌等。

雷电危害雷电能变幻出各种神秘莫测的怪异现象。排列整齐的一队羊群, 雷电可能有规律地 间隔击毙其中的一部分。 遭到雷击的人或动 物, 可 能在皮 肤表 面或毛 皮之 内留下 某种 图案 或“ 象形文字” 。据悉, 美国有个小男孩爬到树上掏鸟蛋, 适逢雷击, 落地毙命的小男孩 胸部清晰地 烙着那棵 树的图像, 枝头上 还有一只小鸟, 小鸟的旁边正是那个 鸟窝, 人们对这些现象至今还无法做出科学的解释。人类社会已进入电子信息时代, 雷电的危害与过去有了极大的不同。 可以概括为: ( 1 ) 受灾面大大扩大, 从传统的电力设施、 建筑物等受 到毁坏, 或是引发 森林火灾及 对人和其 他生物造成 危害, 扩展到几乎所有行业, 特别是与高新技术关系最密切的领域,如航天航空、 国防、 邮电通信、 金融证券等。这些领域大量使用以计算机为代表的微电子设备, 这些电子设备非常灵敏, 但耐 压很低, 一般电子设备都承受不了正负 5 伏的电压波动。以各种微机为例, 当雷电电磁脉冲的磁场强度超过 0. 07 高斯时, 就会引起微机的误动作; 当磁场强度超过 2. 4 高斯时, 就会造成微机的 永久性损坏。 ( 2) 从二维空间入侵变为三维空间入侵。 从闪电直击和过电压波沿线传输, 变为空间闪电的脉冲电磁场从三维空间入侵到任何角落, 无孔不入地造成灾害。 ( 3) 雷灾的经济损失和危害程度大大增加了, 它袭击的对 象本身的直接经济损失有时并不太大,而由此产生的间接经济损失和影响却难以估计。

预防雷雨天气常常会产生强烈的放电现象，如果放电击中人员、建筑物或各种设备，常会造成人员伤亡和经济损失。

应急要点：

注意关闭门窗，室内人员应远离门窗、水管、煤气管等金属物体。

关闭家用电器，拔掉电源插头，防止雷电从电源线入侵。

在室外时，要及时躲避，不要在空旷的野外停留。在空旷的野外无处躲避时，应尽量寻找低洼之处（如土坑）藏身，或者立即下蹲，降低身体的高度。

远离孤立的大树、高塔、电线杆、广告牌。

立即停止室外游泳、划船、钓鱼等水上活动。

如多人共处室外，相互之间不要挤靠，以防被雷击中后电流互相传导。

如果遇到飘浮的“火球”，轻轻避开它，并避免引起空气流动，千万不要去碰触。

专家提示：

高大建筑物上必须安装避雷装置，防御雷击灾害。

在户外不要使用手机。

对被雷击中人员，应立即采取心肺复苏术抢救。

雷雨天尽量少洗澡，太阳能热水器用户切忌洗澡。

急救有的人在遭遇雷击后,心脏由干雷电电流的冲击而停止不动或者跳动速度极不规则,出现颤。上述两种情况都会中止血液循环,造成脑神经损伤,使人在几分钟里死亡。遭雷击不一定致命,有的人只感到触电和遭受轻微烧伤而已。也有人遭雷击后可能因触电引起肌肉痉挛导致骨折、严重烧伤和其它外伤。受到雷击的人可能被烧伤或严重休克,出现昏倒而“假死”的状态,但身上 并不带 电,可 以安全地加 以抢救和处理。在发现 遭雷击者衣服 着火时,应该立刻让其躺下避免火焰烧至面部,结果死于缺氧或烧伤。也可以往烧伤者身上泼水,或者用毯子、厚外衣将其裹住,以扑 灭 身上的火。然后用 冷水冷却伤处,接着盖上清洁的手帕,再用干 净的布块包扎。对于已 昏迷的触 电者,如果抢救及时,方法得当,即使感受不到其呼吸和脉搏,常常也有可 能起死 回生。务必 把受伤者安置成仰卧式,使其保持舒适,随 即施行触电急救。首先进行 口对 口 人 工呼吸。雷击后人脑缺氧时间超过十几分 钟就会有致命危险,所 以进行人工呼吸的时间越早,对伤者的身体恢复越好。若能在/分钟内以心 肺复苏法进行抢救让心脏恢复跳,可 能还 来得及 救活。其次,对伤者进行心 脏按摩,并迅 速通知医院进行抢救处理。如果遇到一群人 被闪电击 中,应该分轻 重缓急区 别对待，应该先抢救那些 已 无法发出声息的人。5