“数”说雷电

  • A+
所属分类:百科知识2014年

雷电是大自然神秘而壮观的现象之一,很早就被人类观测到并记录下来。我国古代典籍《周易》中记录了发生在公元前1078年的一次球形雷,这是世界上最早的雷电记录。
  在很长的时间里,人们对雷电这种自然现象充满了畏惧。其实,我们所谓的雷电,既包括闪电,又包括雷声。1749年,富兰克林用风筝试验证实,闪电只不过是大气中发生的一种火花放电现象。闪电通常由积雨云产生,发生的同时往往伴随着雷声。
  闪电和雷声都是常见的自然现象。它们虽然常见,但关于雷电的一些数字还是非常有趣的。
  闪电有多快:并非3×108米/秒
  通常情况下,雷电多是在人们没有防备的一瞬间发生并完成的,所以,一直以来,雷电给我们的印象就是迅速、猛烈。
  我国战国时代的典籍《六韬·龙韬·军势》一书中对雷电的迅猛有这样的描述:“疾雷不及掩耳,迅电不及瞑目。”这句话也就是我们今天常说的“迅雷不及掩耳”的出处。
  从当代科学的角度来说,真正称得上“快”的是闪电,而非雷。雷的本质是一种声波,在空气中的传播速度大约为340米/秒。闪电的速度则远非这个量级。
  关于闪电的速度的具体值,学者和专家们一直没有得出比较确切的结果。很多人认为,闪电的速度就是光速,也就是3×108米/秒;但也有不少人表示不认同,并就此展开了激烈的争论。那么闪电到底有多快?它和光速是不是一回事呢?
  我们以云-地闪电为例来分析一下闪电的发生过程。通过高速摄影仪可知,一个完整的云-地闪电其实是由多次连续不断的放电过程组成的,这些放电过程沿着同一条通道,如同海浪一样一波接一波,每两波的时间间隔仅有百分之几秒。每次放电一般包括先导和回击两个过程:先导过程主要是为闪电放电建立电离通道,相当于“铺路”;当先导闪电很接近地面时,就像接通了一根导线,强大的电流以极快的速度由地面流至云层,这个过程即为回击,约需70微秒的时间。如果云层还有足够的电量,就开始第二次的先导-回击放电过程。一次完整的云-地闪电过程大约持续0.2秒。
  由上述分析可知,闪电是一种放电现象,遵循一定的物理定律,它的移动速度受到空气电导率等很多因素的影响,与光速有着本质的区别。
  美国佛罗里达大学的学者通过研究得出,闪电的速度为每秒1×105 ~1.4×106米,平均速度为4.4×105米/秒。
  有关学者通过对多个闪电精细的科学观测发现,闪电在不同行进阶段的速度也不同,如闪电先导过程的平均速度为1.5×105米/秒,约为光速的1/2000,而回击过程的速度远大于先导速度,为光速的1/10~1/3。美国能源部给出的闪电速度为1.5×108米/秒,大致为光速的一半。
  虽然上述数据不一定十分准确;但可以确定的是,闪电的速度远低于光速,同时又远高于雷声的速度。
  之所以很多人认为,闪电的速度就是光速,主要是把闪电发出的光传播到我们眼中的速度当成了闪电本身的移动速度。
  雷声有多大——120分贝
  一提到雷声,人们也许马上就能想到“震耳欲聋”“惊天动地”等词语,人们也常常用雷声形容声音的激烈、响亮,如“雷鸣般的掌声”“欢声雷动”等。可以说,雷声是自然界产生的最大的声音之一。
  那么,雷声到底有多大呢?
  当闪电发生时,会放出大量的光和热,沿途空气被强烈加热,水滴迅速气化,体积骤然膨胀而产生冲击波,使空气产生猛烈的震动。此时所产生的声音就是“雷声”。雷声最高可以达到120分贝。这是个什么概念呢?1分贝是人类耳朵刚刚能听到的声音;40~60分贝属于人们正常交谈的声音强度;当声音达到70分贝时,我们就可以认为它是很吵的,而且开始损害听力神经;而100~120分贝,比一列火车从身边呼啸而过的声音还要大,正常人如果在这样高分贝的空间内待1分钟或更久,就会暂时性失聪。所以,用“震耳欲聋”来形容雷声,实不为过。
  雷电有多频繁——14亿次/年
  地球上的雷电活动有多频繁呢?这不仅是我们想知道的,也是雷电研究的重点内容之一。多年来,很多专家和学者使用不同的手段和方法,对这个数据进行了估算,但得出的结果不尽一致。
  在研究中,雷电的频繁程度除了用雷暴日数衡量外,我们还经常用闪电的一些数据来表征,如闪电频率(数)、闪电密度等。早在1925年,就有专家通过分析雷暴日资料,对全球闪电频数做出了估计并得到广泛认可:在任何给定时刻,世界上都有1800场雷雨正在发生,每秒大约有100次闪电。
  近几十年来,闪电探测技术特别是卫星闪电探测技术的发展,给人们提供了以往地面观测难以涉及区域的闪电观测资料,从而对这个参数有了更准确的估计:全球闪电的频率约为每秒40~50次,全年总共发生约14亿次的闪电。在北半球,夏季最容易发生闪电,但在赤道地区,闪电在秋季和春季会更频繁出现。北极和南极地区因为很少有雷阵雨,因此,那里几乎没有闪电。
  那么,世界上哪里的雷电活动最频繁呢?
  研究认为,雷电活动最多的区域是非洲的刚果盆地。因为那里靠近赤道,地表热量充足,空气对流多发,常年都有雷雨。
  2003年,有关学者通过分析得出,世界最频繁的雷电活动发生在非洲的卢旺达,那里的闪电密度最大为每年每平方千米80次。然而在2004~2005年,刚果共和国东部的一个小山村基夫卡,因打破上述纪录而成为世界闪电发生最频繁的地方。这个小镇离赤道仅有300千米,海拔975米,闪电之密集可谓史无前例,一年中,平均每平方千米发生闪电多达158次。
  闪电有多强:比太阳表面热4倍
  闪电的放电过程十分短暂,一般为50~100微秒(1微妙等于百万分之一秒),可以说,是在一瞬间完成。其冲击电流的平均值高达3万安培,最大电流可达30万安培。如此强大的电流产生的交变磁场,其感应电压可以达到1亿~10亿伏特。电荷发生中和作用时会放出大量的光和热,瞬间会将周围的空气加热到3万摄氏度的高温,是太阳表面温度的5倍。
  我国建造的世界上最大的水力发电站——三峡水电站,其总装机容量只有1次闪电功率的千分之一。一次闪电所产生的能量足以让1辆普通轿车行驶大约290~1450千米,供一个家用100瓦的白炽灯泡连续工作3个月。当然,闪电的电功率虽然很大;但由于放电时间短,所以闪电电流的电功并不算大。
  然而,遗憾的是,正是由于闪电往往发生在一瞬间,而且发生方向难以预测,所以,现代科技还无法收集和运用闪电的电能。
  遭雷击概率有多少——175万分之一
  雷电因其强大的电流、炙热的高温、强烈的电磁辐射以及猛烈的冲击波等物理效应,能够在瞬间产生巨大的破坏作用。人们一旦被其击中,将会产生致命的后果。
  从全世界范围来说,每年有4000多人遭雷击,全世界人口为70亿,平均到每个人,遭遇雷击的几率并不高,大约是175万分之一。不过,我们并不能因此而对雷电防护大意。因为具体到不同的地域,各地的人被雷击中的概率就有很大的差别,如美联邦应急管理局估计,当前美国人均遭遇雷击的概率为60万分之一。
  据有关统计,遭遇雷击的概率有明显的城乡差别。农民长期在农田等开阔的地方劳作,在雷电到来时,缺乏临时躲避场所,周围地势平坦,相对而言,人体位置可能较高,加之农民防雷知识相对缺乏,因而更容易被雷击中。城市工作者更多是在室内工作,城市建筑物防雷措施相对完善,遭遇雷击的概率因而大大降低。
  此外,遭遇雷击的概率还跟性别有关。美国的一项研究就表明,男性比女性更容易成为雷击的对象。这项研究通过分析1995~2008年间美国因遭雷击而死亡的数据发现,648名死者中82%为男性。另外一份于1999年完成的研究也得出了类似的结论。为什么男性比女性更容易遭到雷击呢?美国气象学家给出的答案是,在雷雨发生时,男性往往要冒雨干一些危险性较大的事情,如打高尔夫球、踢足球等,而女性有更大可能待在安全地带避雨。
  除此之外,某个地区的居民遭遇雷击的概率和当地的生活习惯、文化水平、建筑结构等方面都有一定的关系。
  【责任编辑】赵 菲
“数”说雷电

发表评论

:?: :razz: :sad: :evil: :!: :smile: :oops: :grin: :eek: :shock: :???: :cool: :lol: :mad: :twisted: :roll: :wink: :idea: :arrow: :neutral: :cry: :mrgreen: