还记得懵懂纯真的小时候,夏天雷雨交加的日子里,相信了各种似真似假、关于妖魔鬼怪的对雷电的解释,一个人充满惶恐的坐在床上,蒙着头。
直到多年以后,心中对于雷电的纯真的恐惧才随着知识的增长消失。
碰撞摩擦起电与电荷积累
雷电作为一种自然现象,常发生在夏季。电闪雷鸣、狂风暴雨是雷电在人们心中的明显标签,其具有极高的能量和破坏性,因此在大多数的印象里,雷电不同于淅淅沥沥、时而带有诗意的雨和令人心旷神怡的皑皑白雪,其往往与灾害相关联,雄伟壮观但令人生畏。
雷电一般产生于对流现象显著的积雨云中。在积雨云中积聚着大量的冰晶和过冷水滴,冰晶的凇附、水滴的分解以及空气对流等,使积雨云中产生电荷。
其中,电荷主要来源于冷热空气对流造成的冰晶和水滴碰撞和摩擦。冷空气中夹带着冰晶,热空气中裹挟着水滴,两者密度不同,冷空气急速下降,热空气急速上升,两个云团相遇碰撞、摩擦。
碰撞摩擦的过程,使二者都带上了电荷。对流现象越明显,云层越厚大,产生的电荷越多,形成了极性的雷雨云。
其中重量较轻、带正电的堆积在云层上方;较重、带负电的聚集在云层底部。
雷雨云起电的机理主要有以下四种理论
水滴破裂效应:水滴在气流的作用下破裂成带负电的较大颗粒和带正电的较小颗粒,由于质量不同,在上升气流的作用下,后者上升,前者下降,使云层下层带负电。
吸电荷效应:由于宇宙射线及其他因素,空气分子电离,大气中存在正负离子,又因为空间中存在电场,在电场力的作用下正负离子在云的上下层分别积累,从而使雷雨云带电,又称感应起电。
水滴撞冻效应:云团中的过冷水滴在碰撞结冰过程中会产生电荷,冰晶带正电荷,水带负电荷,当上升气流把冰晶上的水分带走时,就会导致电荷的分离,而使雷雨云带电。
温差起电效应:在冰晶中存在着正离子(H+)和负离子(OH-),积雨云中的冰晶和雹粒在碰撞和摩擦运动中会造成温度差异,正负离子相互分离,接着在重力和气流的作用下分离扩散,最后达到一定的动态平衡。
巨大电位差的“释放”形成云闪
雷雨云中正负电荷的相互分离使得云层上下如同两块电极板,存在强大的电场,具有很大的电势,有着很强烈的放电势能,达到一定条件后,便会在云层中或云层之间形成强电流,即闪电,而这种在云层中发生的闪电,在气象学中也被称“云闪”。
感应起电,使大地带电,形成地闪
由于电荷的分离,负电荷积聚在云层下部,在感应起电原理的作用下,地面带上正电荷,地面和雷雨云之间就形成了强大的电场。
空气具有很大的电阻,很难击穿,产生电流。当电场强度和地面积聚的电荷密度达到临界值时,空气就会被击穿,出现云地闪,也就是云向地面的放电现象。
带电荷的粒子会在放电过程中在云中高速运动,使气体迅速膨胀、气温急速上升,产生极大的冲击力,发出巨大声响,这就是雷声。
危害极大的闪电蕴藏有巨大能量
每年,全球各地都有因雷电造成的生命财产损失。其中,造成主要损失的云地闪电压高达1亿多伏,能产生高达几万甚至是几十万安培的瞬时电流,电火花的温度可以达到3万多摄氏度,同时释放巨大能量。
一个中等雷电的功率高达1000万瓦,可以与一座中性水电站一天的发电量相比拟。因此,有不少科学家尝试将雷电释放的能量收集,用于工业生产生活。
此举环保无污染,既能减少因此带来的损失,还能产生经济效益,一举三得。不过,以目前的科技水平,人类仍然无法做到这一点,也许,在不远的将来,雷电释放的能量将能为人类所用。