紅光閃電枉矢行

周家斌

元朝詩(shī)人方夔有一首題為《立冬前后大雷電》的詩(shī)，其前半部是：

云如車炮低壓城，紅光閃電枉矢行。老龍偷出牛蹄泓，霹靂數(shù)聲驚窈冥。雨下如注翻四溟，黑風(fēng)吹落魚鮪腥。

2007年，中國(guó)氣象局發(fā)布文章，介紹我國(guó)雷災(zāi)概況及特點(diǎn)。文章說(shuō)，我國(guó)地處溫帶和亞熱帶地區(qū)，雷暴活動(dòng)十分頻繁，全國(guó)有21個(gè)省會(huì)城市的年最多雷暴日均在50天以上，其中最多的達(dá)到了134天。從近30年的雷電資料看，我國(guó)雷暴日天數(shù)變化不大，但是雷電災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡事故日益嚴(yán)重，具有發(fā)生頻次多、范圍廣、危害嚴(yán)重、社會(huì)影響大的特點(diǎn)。目前，雷電災(zāi)害已成為危害程度僅次于暴雨洪澇、地質(zhì)災(zāi)害的第三大自然災(zāi)害。

為了保障人身安全，我們需要對(duì)雷電多一些了解。

雷電災(zāi)害損失大

一次雷電的電流平均約為2萬(wàn)安培甚至更大，電壓大約是1億～10億伏特(人體安全電壓為36伏)，一次雷電歷時(shí)大約為千分之一秒，平均發(fā)出的功率達(dá)200億千瓦(一般電飯鍋的功率低于1000瓦)。我國(guó)建造的世界上最大的水力發(fā)電站——三峽水電站的裝機(jī)總?cè)萘繛?820萬(wàn)千瓦，只有一次雷電功率的千分之一。

在全球范圍內(nèi)，每年發(fā)生在大氣中的雷電達(dá)31億次，平均每秒鐘約為100次。除了部分雷電打在無(wú)人、無(wú)建筑物的曠野和海洋上外，還有一部分雷電會(huì)對(duì)人和生物造成傷害，對(duì)各種建筑物、系統(tǒng)、部件、元件造成破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年因雷擊造成的直接經(jīng)濟(jì)損失近10億元。

1992年6月22日20時(shí)4分，國(guó)家氣象中心計(jì)算機(jī)網(wǎng)因雷擊中斷，國(guó)際通訊用調(diào)制解調(diào)器被擊壞，一些終端及數(shù)據(jù)端口損壞，導(dǎo)致部分工作中斷46小時(shí)左右。

1993年4月21日及1997年8月6日，上海奧林匹克俱樂(lè)部?jī)纱卧饫讚?，均?dǎo)致計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)停止工作，程控電話自動(dòng)記費(fèi)系統(tǒng)傳輸中斷，其中一次中斷了20多小時(shí)。

需要說(shuō)明的是，電器設(shè)備受損時(shí)不一定有明顯的外貌破損，但雷電可瞬間擊毀對(duì)電磁十分敏感的微電子元件，其間接損失涉及面廣，往往超過(guò)直接損失幾倍甚至幾十倍。

1969年，美國(guó)登月的Apollo－11發(fā)射不到一分鐘，即遭雷擊兩次，導(dǎo)致自動(dòng)駕駛系統(tǒng)失靈，一些傳感器停止工作。由于航天員果斷迅速的手動(dòng)操作才挽救了這次發(fā)射。雷電還可以引起森林火災(zāi)，對(duì)飛機(jī)的飛行安全也是巨大威脅。

當(dāng)人遭受雷電襲擊時(shí)，電流迅速通過(guò)人體，嚴(yán)重的可使心跳和呼吸停止，腦組織缺氧而死亡。另外，雷擊時(shí)產(chǎn)生的火花，也會(huì)造成不同程度的皮膚燒傷。雷還能造成耳鼓膜或內(nèi)臟破裂等。

打雷閃電為何物

雷和閃電是一對(duì)孿生兄弟。大氣層中的電荷不斷在云中集結(jié)，當(dāng)電荷量變得足夠大時(shí)，就會(huì)發(fā)生閃電。閃電橫穿天空時(shí)，可以很快使沿途的空氣變熱，迅速膨脹，猛烈地向四周沖擊，引起巨大的聲波，這種聲波就是雷聲。

常見(jiàn)的閃電形式主要有云閃和地閃。云閃是指發(fā)生在雷暴云內(nèi)的閃電，包括云天閃電、云間閃電、云內(nèi)閃電。通常情況下，云閃約占閃電總數(shù)的一半以上。云閃因?yàn)榘l(fā)生在高空，離地面比較遠(yuǎn)，大部分能量耗散在傳播過(guò)程中，因此不會(huì)對(duì)我們?cè)斐珊艽蟮奈：Α５亻W是指發(fā)生于云與地面之間的放電。它對(duì)我們的生命財(cái)產(chǎn)的危害遠(yuǎn)較云閃大。

從形狀上看，閃電有好幾種，最常見(jiàn)的有線狀(或枝狀)閃電和片狀閃電，球狀閃電十分罕見(jiàn)。如果仔細(xì)區(qū)分，還可以劃分出帶狀閃電、聯(lián)珠狀閃電和火箭狀閃電等。方夔詩(shī)中“紅光閃電枉矢行”一句可以看成古人對(duì)線狀閃電的藝術(shù)化描述。

在夏天經(jīng)常出現(xiàn)雷電交加的現(xiàn)象，而且是閃電過(guò)后幾秒甚至十幾秒才聽(tīng)到雷聲。有人也許會(huì)認(rèn)為先閃電后打雷；或許會(huì)認(rèn)為打雷的地方離我們遠(yuǎn)，而閃電的地方離我們近。其實(shí)并非如此。閃電和雷聲是同時(shí)發(fā)生的，但它們?cè)诖髿庵袀鞑サ乃俣认嗖詈艽?，因此人們總是先看到閃電然后才聽(tīng)到雷聲。光每秒能走30萬(wàn)千米(月亮與地球的距離是38萬(wàn)千米)，而聲音每秒只能走340米，在空氣中光速約是聲速的882353倍。光到地面幾乎用不了什么時(shí)間，可以認(rèn)為是0。從看到閃電到昕到雷聲，間隔的秒數(shù)乘以340米，就是閃電發(fā)生處到我們的距離了。

此外，雷聲遇到云層或高大的建筑物后要產(chǎn)生反射，所以一個(gè)閃電光后雷聲一般要持續(xù)一段時(shí)間才會(huì)消失。

那么，一次閃電的過(guò)程到底是怎樣的呢?

通常情況下，當(dāng)雷雨云移到某處時(shí)，云的中下部是強(qiáng)大的負(fù)電荷中心，地面是正電荷中心。在云底與地面間會(huì)形成強(qiáng)大的電場(chǎng)。在電荷越積越多、電場(chǎng)越來(lái)越強(qiáng)的情況下，云底首先出現(xiàn)大氣被強(qiáng)烈電離的一段氣柱，稱為梯級(jí)先導(dǎo)。這種電離氣柱逐級(jí)向地面延伸，每級(jí)梯級(jí)先導(dǎo)是直徑約5米、長(zhǎng)50米、電流約100安培的暗淡光柱，它以平均約150千米／秒的高速度一級(jí)一級(jí)地伸向地面。在離地面5～50米左右時(shí)，地面便突然向上回?fù)簦負(fù)舻耐ǖ朗菑牡孛娴皆频?，沿著上述梯?jí)先導(dǎo)開(kāi)辟出的電離通道?；?fù)粢?萬(wàn)千米／秒的速度從地面馳向云底，發(fā)出光亮無(wú)比的光柱，歷時(shí)40微秒(一微秒等于百萬(wàn)分之一秒)，通過(guò)的電流超過(guò)1萬(wàn)安培，這就是第一次閃擊。相隔幾秒之后，云中一根暗淡的光柱，攜帶巨大電流，沿第一次閃擊的路徑飛馳向地面，稱直竄先導(dǎo)。當(dāng)它離地面5～50米左右時(shí)，地面繼續(xù)向上回?fù)?，再次形成光亮無(wú)比的光柱，即第二次閃擊。接著又類似第二次情形產(chǎn)生第三、四次閃擊。一般由3～4次閃擊構(gòu)成一次閃電過(guò)程。

雷暴這種天氣過(guò)程常伴隨雷電、大風(fēng)和暴雨，甚至出現(xiàn)冰雹和龍卷風(fēng)。通過(guò)氣象觀測(cè)記錄可以統(tǒng)計(jì)出哪天、哪個(gè)小時(shí)有雷暴，也可以借助于儀器觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)出單位面積(例如每平方千米)上一年發(fā)生多少次閃電，打了多少次雷。我國(guó)各氣象站都有雷電觀測(cè)項(xiàng)目。

此外，通過(guò)建設(shè)全國(guó)雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)監(jiān)測(cè)雷電的發(fā)生、發(fā)展及消亡過(guò)程，可以給有關(guān)部門提供雷電災(zāi)害預(yù)警信息，為預(yù)防雷電災(zāi)害服務(wù)。中國(guó)氣象局《國(guó)家閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)》規(guī)劃在全國(guó)范圍內(nèi)建設(shè)350個(gè)云地閃探測(cè)儀，目前已建有232個(gè)時(shí)差測(cè)向混合閃電探測(cè)儀。

人工引雷為何物

20世紀(jì)60年代，美國(guó)學(xué)者在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，快速引入強(qiáng)電場(chǎng)中的細(xì)金屬絲會(huì)導(dǎo)致?lián)舸┓烹?，并提出了人工引發(fā)雷電的設(shè)想。此后用向雷暴云發(fā)射拖帶細(xì)金屬導(dǎo)線的方法成功地實(shí)現(xiàn)了人工引發(fā)雷電。法、日、美以及中國(guó)的學(xué)者先后都進(jìn)行了人工引雷實(shí)驗(yàn)及綜合測(cè)量，取得了令人鼓舞的結(jié)果。

2008年6月25日，中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所和陜西中天火箭公司在西安聯(lián)合召開(kāi)了我國(guó)新一代人工引雷專用火箭產(chǎn)品驗(yàn)收會(huì)，第一批生產(chǎn)的15發(fā)火箭被運(yùn)往山東濱州，用于今年夏季在該地的人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn)。6月29

日，有關(guān)專家在山東濱州地區(qū)實(shí)現(xiàn)了在強(qiáng)雷暴中人工觸發(fā)閃電。如何人工引發(fā)雷電

人工引發(fā)雷電的經(jīng)典方法是：向雷暴云發(fā)射一個(gè)尾部拖一細(xì)長(zhǎng)導(dǎo)線的小型火箭來(lái)觸發(fā)閃電。導(dǎo)線一般采用直徑0.2毫米的細(xì)鋼絲或銅絲。導(dǎo)線的長(zhǎng)度有幾百米，通常繞在一個(gè)安裝在地面的線軸上。

另一種常使用的引雷方式是，上升的火箭首先釋放出一段幾十米長(zhǎng)的絕緣尼龍線，然后是金屬導(dǎo)線。當(dāng)釋放的金屬導(dǎo)線達(dá)到一定長(zhǎng)度后，在導(dǎo)線的上、下兩端，將分別產(chǎn)生向上傳輸?shù)恼葘?dǎo)和向下傳輸?shù)呢?fù)先導(dǎo)。當(dāng)下行的負(fù)先導(dǎo)接近地面時(shí)，一個(gè)上行的正先導(dǎo)將從地面目標(biāo)物上激發(fā)，一旦兩個(gè)先導(dǎo)被連接，將在目標(biāo)物與導(dǎo)線下端之間產(chǎn)生一個(gè)所謂的首次回?fù)暨^(guò)程。經(jīng)典方法模擬的只是向上傳輸?shù)恼葘?dǎo)。

下圖是在60米和550米處拍攝的兩次人工引發(fā)雷電的照片，可見(jiàn)人工引發(fā)的雷電和自然雷電非常相象。

另一種正在實(shí)驗(yàn)的人工引雷方法是通過(guò)發(fā)射激光誘發(fā)雷電。

既然人工能夠引發(fā)和自然雷電如此相象的雷電，我們何不把自然雷電都引入地面，這不就從根本上杜絕了雷電災(zāi)害了嗎?事實(shí)并非如此簡(jiǎn)單。

目前國(guó)內(nèi)外火箭引發(fā)雷電的成功率平均為60％左右。即便如此，人工引發(fā)雷電還存在好多問(wèn)題。首先，人們還沒(méi)有真正弄清閃電產(chǎn)生的條件，因而難以肯定何時(shí)進(jìn)行人工引發(fā)雷電為好。其次，對(duì)空中電的分布還難以直接測(cè)量，因而如果僅僅根據(jù)地面電的分布來(lái)控制人工引發(fā)雷電有一定的盲目性。再則，將火箭發(fā)射到進(jìn)入幾百米遠(yuǎn)的空中需要一定的時(shí)間。有時(shí)在這一時(shí)間中會(huì)發(fā)生一次自然雷電，有時(shí)火箭又會(huì)提前發(fā)射到閃電尚不成熟的空中。這些情況都會(huì)導(dǎo)致人工引發(fā)雷電的失敗。

由于自然雷電發(fā)生、發(fā)展的隨機(jī)性和瞬時(shí)性，擊中某一固定目標(biāo)物的幾率很低，因此如何把握人工引發(fā)雷電的時(shí)機(jī)以避免雷電災(zāi)害是難以實(shí)現(xiàn)的。

人工引雷為哪般

那么，人們?yōu)楹芜€要進(jìn)行人工引發(fā)雷電的實(shí)驗(yàn)?zāi)?原來(lái)這件事是有很大用處的。

由于對(duì)雷電及其近距離電磁場(chǎng)的直接測(cè)量十分困難，對(duì)其物理過(guò)程的認(rèn)識(shí)和科學(xué)的防護(hù)也因而受到制約。不過(guò)，借助于時(shí)間和空間可控狀態(tài)下的人工引發(fā)雷電技術(shù)，對(duì)雷電及其近距離電磁場(chǎng)變化特征進(jìn)行觀測(cè)研究和詳細(xì)分析，對(duì)雷電對(duì)電磁輻射和傳輸?shù)挠绊戇M(jìn)行理論探討，有益于人們進(jìn)一步了解雷電的物理特性。由于人工引發(fā)雷電的放電過(guò)程與自然雷電的相似性，人工引發(fā)雷電的研究結(jié)果還可應(yīng)用于自然雷電災(zāi)害的防護(hù)設(shè)計(jì)中。

雷電有過(guò)亦有功

雖然雷電常常給人類帶來(lái)嚴(yán)重的危害，但也不能就此把雷電說(shuō)成是十惡不赦的怪物。雷電對(duì)人類也是有功勞的。

從進(jìn)化史看，雷電的出現(xiàn)早于人類，甚至早于動(dòng)物。閃電與首次產(chǎn)生氨基酸有關(guān)，因而可能是生物進(jìn)化中不可缺少的一員。

閃電還可能是人類第一個(gè)火種的源泉。

此外，閃電放電有固氮作用，它能使大氣中的氮變成氮氧化物，成為植物包括農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中可吸收的化合物。因此，雷電是人類的“氮肥廠”。億萬(wàn)年來(lái)，地球靠雷電不斷地向土壤中補(bǔ)充氮肥。

閃電也會(huì)導(dǎo)致臭氧的產(chǎn)生，而臭氧在一定程度上對(duì)人類是有益的。

責(zé)任編輯趙菲