红光闪电枉矢行

元朝诗人方夔有一首题为《立冬前后大雷电》的诗，其前半部是：

　　云如车炮低压城，红光闪电枉矢行。老龙偷出牛蹄泓，霹雳数声惊窈冥。雨下如注翻四溟，黑风吹落鱼鲔腥。

　　2007年，中国气象局发布文章，介绍我国雷灾概况及特点。文章说，我国地处温带和亚热带地区，雷暴活动十分频繁，全国有21个省会城市的年最多雷暴日均在50天以上，其中最多的达到了134天。从近30年的雷电资料看，我国雷暴日天数变化不大，但是雷电灾害造成的经济损失和人员伤亡事故日益严重，具有发生频次多、范围广、危害严重、社会影响大的特点。目前，雷电灾害已成为危害程度仅次于暴雨洪涝、地质灾害的第三大自然灾害。

　　为了保障人身安全，我们需要对雷电多一些了解。

　　

　　雷电灾害损失大

　　

　　一次雷电的电流平均约为2万安培甚至更大，电压大约是1亿～10亿伏特(人体安全电压为36伏)，一次雷电历时大约为千分之一秒，平均发出的功率达200亿千瓦(一般电饭锅的功率低于1000瓦)。我国建造的世界上最大的水力发电站——三峡水电站的装机总容量为1820万千瓦，只有一次雷电功率的千分之一。

　　在全球范围内，每年发生在大气中的雷电达31亿次，平均每秒钟约为100次。除了部分雷电打在无人、无建筑物的旷野和海洋上外，还有一部分雷电会对人和生物造成伤害，对各种建筑物、系统、部件、元件造成破坏。据统计，我国每年因雷击造成的直接经济损失近10亿元。

　　1992年6月22日20时4分，国家气象中心计算机网因雷击中断，国际通讯用调制解调器被击坏，一些终端及数据端口损坏，导致部分工作中断46小时左右。

　　1993年4月21日及1997年8月6日，上海奥林匹克俱乐部两次遭雷击，均导致计算机网络停止工作，程控电话自动记费系统传输中断，其中一次中断了20多小时。

　　需要说明的是，电器设备受损时不一定有明显的外貌破损，但雷电可瞬间击毁对电磁十分敏感的微电子元件，其间接损失涉及面广，往往超过直接损失几倍甚至几十倍。

　　1969年，美国登月的Apollo－11发射不到一分钟，即遭雷击两次，导致自动驾驶系统失灵，一些传感器停止工作。由于航天员果断迅速的手动操作才挽救了这次发射。雷电还可以引起森林火灾，对飞机的飞行安全也是巨大威胁。

　　当人遭受雷电袭击时，电流迅速通过人体，严重的可使心跳和呼吸停止，脑组织缺氧而死亡。另外，雷击时产生的火花，也会造成不同程度的皮肤烧伤。雷还能造成耳鼓膜或内脏破裂等。

　　

　　打雷闪电为何物

　　

　　雷和闪电是一对孪生兄弟。大气层中的电荷不断在云中集结，当电荷量变得足够大时，就会发生闪电。闪电横穿天空时，可以很快使沿途的空气变热，迅速膨胀，猛烈地向四周冲击，引起巨大的声波，这种声波就是雷声。

　　常见的闪电形式主要有云闪和地闪。云闪是指发生在雷暴云内的闪电，包括云天闪电、云间闪电、云内闪电。通常情况下，云闪约占闪电总数的一半以上。云闪因为发生在高空，离地面比较远，大部分能量耗散在传播过程中，因此不会对我们造成很大的危害。地闪是指发生于云与地面之间的放电。它对我们的生命财产的危害远较云闪大。

　　从形状上看，闪电有好几种，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。如果仔细区分，还可以划分出带状闪电、联珠状闪电和火箭状闪电等。方夔诗中“红光闪电枉矢行”一句可以看成古人对线状闪电的艺术化描述。

　　在夏天经常出现雷电交加的现象，而且是闪电过后几秒甚至十几秒才听到雷声。有人也许会认为先闪电后打雷；或许会认为打雷的地方离我们远，而闪电的地方离我们近。其实并非如此。闪电和雷声是同时发生的，但它们在大气中传播的速度相差很大，因此人们总是先看到闪电然后才听到雷声。光每秒能走30万千米(月亮与地球的距离是38万千米)，而声音每秒只能走340米，在空气中光速约是声速的882353倍。光到地面几乎用不了什么时间，可以认为是0。从看到闪电到昕到雷声，间隔的秒数乘以340米，就是闪电发生处到我们的距离了。

　　此外，雷声遇到云层或高大的建筑物后要产生反射，所以一个闪电光后雷声一般要持续一段时间才会消失。

　　那么，一次闪电的过程到底是怎样的呢?

　　通常情况下，当雷雨云移到某处时，云的中下部是强大的负电荷中心，地面是正电荷中心。在云底与地面间会形成强大的电场。在电荷越积越多、电场越来越强的情况下，云底首先出现大气被强烈电离的一段气柱，称为梯级先导。这种电离气柱逐级向地面延伸，每级梯级先导是直径约5米、长50米、电流约100安培的暗淡光柱，它以平均约150千米／秒的高速度一级一级地伸向地面。在离地面5～50米左右时，地面便突然向上回击，回击的通道是从地面到云底，沿着上述梯级先导开辟出的电离通道。回击以5万千米／秒的速度从地面驰向云底，发出光亮无比的光柱，历时40微秒(一微秒等于百万分之一秒)，通过的电流超过1万安培，这就是第一次闪击。相隔几秒之后，云中一根暗淡的光柱，携带巨大电流，沿第一次闪击的路径飞驰向地面，称直窜先导。当它离地面5～50米左右时，地面继续向上回击，再次形成光亮无比的光柱，即第二次闪击。接着又类似第二次情形产生第三、四次闪击。一般由3～4次闪击构成一次闪电过程。

　　雷暴这种天气过程常伴随雷电、大风和暴雨，甚至出现冰雹和龙卷风。通过气象观测记录可以统计出哪天、哪个小时有雷暴，也可以借助于仪器观测资料统计出单位面积(例如每平方千米)上一年发生多少次闪电，打了多少次雷。我国各气象站都有雷电观测项目。

　　此外，通过建设全国雷电监测网监测雷电的发生、发展及消亡过程，可以给有关部门提供雷电灾害预警信息，为预防雷电灾害服务。中国气象局《国家闪电监测系统》规划在全国范围内建设350个云地闪探测仪，目前已建有232个时差测向混合闪电探测仪。

　　

　　人工引雷为何物

　　

　　20世纪60年代，美国学者在室内实验中发现，快速引入强电场中的细金属丝会导致击穿放电，并提出了人工引发雷电的设想。此后用向雷暴云发射拖带细金属导线的方法成功地实现了人工引发雷电。法、日、美以及中国的学者先后都进行了人工引雷实验及综合测量，取得了令人鼓舞的结果。

　　2008年6月25日，中国科学院大气物理研究所和陕西中天火箭公司在西安联合召开了我国新一代人工引雷专用火箭产品验收会，第一批生产的15发火箭被运往山东滨州，用于今年夏季在该地的人工引发雷电实验。6月29日，有关专家在山东滨州地区实现了在强雷暴中人工触发闪电。如何人工引发雷电

　　人工引发雷电的经典方法是：向雷暴云发射一个尾部拖一细长导线的小型火箭来触发闪电。导线一般采用直径0.2毫米的细钢丝或铜丝。导线的长度有几百米，通常绕在一个安装在地面的线轴上。

　　另一种常使用的引雷方式是，上升的火箭首先释放出一段几十米长的绝缘尼龙线，然后是金属导线。当释放的金属导线达到一定长度后，在导线的上、下两端，将分别产生向上传输的正先导和向下传输的负先导。当下行的负先导接近地面时，一个上行的正先导将从地面目标物上激发，一旦两个先导被连接，将在目标物与导线下端之间产生一个所谓的首次回击过程。经典方法模拟的只是向上传输的正先导。

　　下图是在60米和550米处拍摄的两次人工引发雷电的照片，可见人工引发的雷电和自然雷电非常相象。

　　另一种正在实验的人工引雷方法是通过发射激光诱发雷电。

　　既然人工能够引发和自然雷电如此相象的雷电，我们何不把自然雷电都引入地面，这不就从根本上杜绝了雷电灾害了吗?事实并非如此简单。

　　目前国内外火箭引发雷电的成功率平均为60％左右。即便如此，人工引发雷电还存在好多问题。首先，人们还没有真正弄清闪电产生的条件，因而难以肯定何时进行人工引发雷电为好。其次，对空中电的分布还难以直接测量，因而如果仅仅根据地面电的分布来控制人工引发雷电有一定的盲目性。再则，将火箭发射到进入几百米远的空中需要一定的时间。有时在这一时间中会发生一次自然雷电，有时火箭又会提前发射到闪电尚不成熟的空中。这些情况都会导致人工引发雷电的失败。

　　由于自然雷电发生、发展的随机性和瞬时性，击中某一固定目标物的几率很低，因此如何把握人工引发雷电的时机以避免雷电灾害是难以实现的。

　　

　　人工引雷为哪般

　　

　　那么，人们为何还要进行人工引发雷电的实验呢?原来这件事是有很大用处的。

　　由于对雷电及其近距离电磁场的直接测量十分困难，对其物理过程的认识和科学的防护也因而受到制约。不过，借助于时间和空间可控状态下的人工引发雷电技术，对雷电及其近距离电磁场变化特征进行观测研究和详细分析，对雷电对电磁辐射和传输的影响进行理论探讨，有益于人们进一步了解雷电的物理特性。由于人工引发雷电的放电过程与自然雷电的相似性，人工引发雷电的研究结果还可应用于自然雷电灾害的防护设计中。

　　

　　雷电有过亦有功

　　

　　虽然雷电常常给人类带来严重的危害，但也不能就此把雷电说成是十恶不赦的怪物。雷电对人类也是有功劳的。

　　从进化史看，雷电的出现早于人类，甚至早于动物。闪电与首次产生氨基酸有关，因而可能是生物进化中不可缺少的一员。

　　闪电还可能是人类第一个火种的源泉。

　　此外，闪电放电有固氮作用，它能使大气中的氮变成氮氧化物，成为植物包括农作物生长过程中可吸收的化合物。因此，雷电是人类的“氮肥厂”。亿万年来，地球靠雷电不断地向土壤中补充氮肥。

　　闪电也会导致臭氧的产生，而臭氧在一定程度上对人类是有益的。

　　

　　责任编辑　赵　菲