第2章 电闪雷鸣——认识雷电现象(2)

闪电电磁辐射严重干扰无线电通信和各种设备的正常工作，是无线电噪声的重要来源，在一定范围内造成许多微电子设备的损坏，引起火灾，已成为20世纪80年代之后雷电灾害极重要的原因。但是另一方面，闪电产生的电磁场效应又是进行雷电探测的重要信息，由此可获知闪电电流、闪电电荷、闪电电矩以及云中电荷分布等各种闪电电学参量。此外，根据远距离闪电辐射的电场、磁场波形的观测，还可以进行实用价值较大的雷电定位、监测和预警工作。闪电的强大电流使得闪电通道内的气体分子和原子被激发到高能级，从而产生光辐射。

对这种光辐射可进行照相观测，从而获得地闪结构的丰富信息。可以对光辐射进行光谱观测，鉴别光谱的谱线，从而获知闪电通道中各种发光粒子的成分。对光谱谱线的强度和线宽做定量分析，就能进一步获知闪电通道的平均温度、平均电子密度、平均气压和平均气体密度等闪电通道物理参量。

（3）雷声

闪电回击通道的初始平均温度和气压均很高，它有着巨大的瞬时功率，所以产生爆炸式的冲击波。

用实验方法直接观测冲击波的波阵面扩展速度很困难，所以研究者采用实验室内模拟雷电的观测，测得火花通道径向扩展速度，也可以运用理论来估算。闪电通道径向扩展速度最大可达1.6千米/秒左右，远大于大气中的声速，但是它很快就衰减，冲击波转变为声波，就听到隆隆雷声。

雷电的形成

雷电是雷雨云之间或云地之间产生的放电现象，雷雨云是产生雷电的先决条件，雷雨云在气象学里也称积雨云，积雨云浓而厚，云内对流旺盛，“乌云滚滚”。积雨云的云体庞大，像高山；顶部模糊，云底很阴暗；高度很低，云色乌黑。

伴随出现的天气是多云或阴，有雷阵雨，伴随大风、雷电，有时产生冰雹、龙卷风等。由于其发展极盛，有的云顶高度达20公里左右。云内对流运动和水滴不断碰撞分裂，使积雨云中积累起大量的空间电荷，在云内不同部位形成分离的正、负电荷中心，造成极高的电场强度。

当云与云之间、云与地之间的电位差增大到一定数值时，电场强度超过空气可能承受的击穿强度时，就形成放电。不同极性的电荷通过一定的电离通道互相中和，产生强烈的光与热，在放电通道中所产生的强光称之为“闪”；在放电通道中发出热后使通道附近的空气突然膨胀，形成巨大的轰鸣声，就称之为“雷”。

2.雷雨云的形成

产生雷电的条件是雷雨云中有电荷积累并形成极性。科学家们对雷雨云的带电机制及电荷有规律分布，进行了大量的观测和试验，积累了许多资料，并提出各种各样的解释，有些论点至今还有争论。（1）对流云初始阶段的“离子流”假说

大气中存在着大量的正离子和负离子，在云中的雨滴上，电荷分布是不均匀的，最外边的分子带负电，里层的带正电，内层比外层的电势差约高0.25伏。为了平衡这个电势差，水滴就必须优先吸收大气中的负离子，这就使水滴逐渐带上了负电荷。当对流发展开始时，较轻的正离子逐渐被上升的气流带到云的上部；而带负电的雨滴因为比较重，就留在了下部，造成了正负电荷的分离。

（2）冷云的电荷积累

当对流发展到一定阶段，云体伸入0℃层以上的高度后，云中就有了过冷水滴、霰粒和冰晶等。这种由不同状态的水汽凝结物组成且温度低于0℃的云，叫冷云。冷云的电荷形成和积累过程有如下几种：

过冷水滴在霰粒上撞冻起电：

在云层中有许多水滴在温度低于0℃时也不会冻结，这种水滴叫过冷水滴。过冷水滴是不稳定的，只要它们被轻轻地震动一下，就马上冻结成冰粒。当过冷水滴与霰粒碰撞时，会立即冻结，这叫撞冻。当发生撞冻时，过冷水滴外部立即冻成冰壳，但它的内部仍暂时保持着液态，并且由于外部冻结放的潜热传到内部，其内部液态过冷水的温度比外面的冰壳高。温度的差异使得冻结的过冷水滴外部带上正电，内部带上负电。当内部也发生冻结时，水滴就膨胀分裂，外表皮破裂成许多带正电的冰屑，随气流飞到云层上部，带负电的冻滴核心部分则附在较重的霰粒上，使霰粒带负电并留在云层的中下部。

冰晶与霰粒的摩擦碰撞起电：

霰粒是由冻结水滴组成的，成白色或乳白色，结构比较松脆。由于经常有冷水滴与它撞冻并释放潜热，它的温度一般比冰晶高。在冰晶中含有一定量的自由离子（OH—和H+），离子数随温度升高而增多。

由于霰粒与冰晶接触部分存在着温度差，高温端的自由离子必然要多于低温端，因而离子必然从高温端向低温端迁移。离子迁移时，带正电的氢离子速度较快，而带负电的较重的氢氧根离子则较慢。因此，在一定时间内就出现了冷端氢离子过剩的现象，造成了高温端为负，低温端为正的电极化。当冰晶与霰粒接触后，又分离时，温度较高的霰粒就带上了负电，而温度较低的冰晶就带上了正电。在重力和上升气流的作用下，较轻的带正电的冰晶集中到云的上部，较重的带负电的霰粒则停留在云层的下部，因而造成了冷云的上部带正电而下部带负电。

水滴因含有稀薄盐分而起电：

出了上述冷云的两种起电机制外，还有人提出了由于大气中水滴含有稀薄盐分而产生起电机制。当水滴冻结时，冰的晶格中可以容纳负的氯离子，却排斥正的钠离子。因此，水滴冻结的部分带负电，而未冻结的部分带正电（水滴冻结时是从里向外进行的）。由于水滴冻结而成的霰粒在下落的过程中，摔掉表面还未来得及冻结的水分，形成许多带正电的小云滴，而冻结的核心部分则带负电。由于重力和气流的作用，带正电的小滴被带到云的上部，而带负电的霰粒则停留在云的中、下部。

（3）暖云的电荷积累

在热带地区，有一些云整个云体都位于0℃以上区域，因而只含有水滴而没有固态水粒子，这种云叫暖云或水云。暖云也会出现雷电现象。在中纬度地区的雷暴云，云体位于0℃等温线以下的部分，就是云的暖区。在云的暖区里也有起电过程发生。

雷电的伴生现象

雷电发生时，常伴有雷雨大风、冰雹、龙卷风、飑等恶劣天气现象，致使房屋倒毁，庄稼树木受到摧残，电信交通受损，甚至造成人员伤亡等。

1.雷雨大风

雷雨大风，是指在出现雷、雨天气现象时，风力达到或超过8级（≥17.2米/秒）的天气现象。当雷雨大风发生时，乌云滚滚，电闪雷鸣，狂风夹伴强降水，有时伴有冰雹，风速极大。它涉及的范围一般只有几千米至几十千米。

雷雨大风常出现在强烈冷锋前面的雷暴高压中。雷暴高压是存在于雷暴区附近地面气压场的一个很小的局部高压，雷暴高压中心温度比四周低，下沉气流极为明显，雷暴高压前部为暖区，暖区有上升气流，就在这个下沉气流与上升气流之间，存在着一条狭窄的风向切变带，其为雷雨大风发生处，它过境时带来极强烈的暴风雨。如果雷雨大风发生在单一气团内部，那么它常常是由于局地受热不均引起。雷雨大风的生命史极短。暴风雨是指大风与强降水（大雨或暴雨）相伴或相继出现的现象。

一般国际民航称这种天气为暴风雨，飞行中如遇到这种恶劣天气，会使飞机操纵变得十分困难。

2.冰雹

冰雹俗称雹子，夏季或春夏之交最为常见。它是一些坚硬的冰丸，通常直径只有几毫米，小如绿豆、黄豆。也有大似栗子、鸡蛋的，有的比柚子还大。冰雹云是由水滴、冰晶和雪花组成的。一般为三层：

最下面一层温度在0℃以上，由水滴组成；中间一层温度为0~20℃，由过冷却水滴、冰晶和雪花组成；最上面一层温度在—20℃以下，基本上由冰晶和雪花组成。

冰雹是我国严重灾害之一。我国大多数地方每年都会受到不同程度的雹灾。尤其是北方的山区及丘陵地区，地形复杂，天气多变，冰雹多，受害重，特别是农业受害很大。

猛烈的冰雹常击毁庄稼，损坏房屋，砸伤致死人员和牲畜的情况也常常发生。较大的冰雹会打破房屋窗户、温室玻璃和汽车挡风玻璃等。

降雹形成的灾害虽然是局部和短时的，但后果往往是严重的。如2007年4月1日下午到夜间，福建闽清、永泰、建瓯等6个县市遭遇特大冰雹袭击，造成163间房屋倒塌，5.54万间房屋受损，农作物受灾面积6.3千公顷（约10万亩），受灾人口9.92万人，直接经济损失1.15亿元。1997年4月12日广东省茂名市北部山区出现暴雨和冰雹等灾害，信宜市14个乡镇出现6~7级阵风，最大冰雹重15公斤，一般大的如鸡蛋，小的如花生米，造成3人死亡，倒塌房屋750间，瓦面被揭的房屋2万多间，经济作物受损达10多万亩。

3.龙卷风

龙卷风是一个猛烈旋转着的圆形空气柱。它多发生于高温、高湿的不稳定气团并与其他天气系统的激发作用密切相关，如具有强烈上升气流积雨云母体中的旋转云块，当云块向下延伸时，便形成漏斗状云柱。

龙卷风的上端与积雨云相接，下端有的悬在半空中，有的直接延伸到地面或水面。它一边旋转，一边向前移动。发生在陆地上时，卷起尘土、碎屑，卷走房屋、树林的龙卷风，称为陆龙卷；出现在海面或其他水面上，犹如龙吸水的现象，称为海龙卷或水龙卷。

龙卷风具有强大的破坏力，能吸起江、湖、海水，拔起大树，吹倒房屋，卷走牲畜和庄稼。只要具备强烈对流的条件，一年四季都可以出现龙卷风，但它一般在暖季出现。一天之内，白天、黑夜都能生成龙卷风，但绝大部分发生在午后。

2007年7月3日16时57分，上帝的手指似乎就在中国安徽东部小城天长市搅动了一阵，20分钟时间里，一条宽约200米、长20千米的“恐怖之廊”出现在人们面前。此次龙卷风造成人员伤亡105人，其中7人死亡，98人受伤。龙卷风还导致700多间房屋倒塌，电力、通讯、水利设施和农田受损严重，直接经济损失3000余万元。同年8月18日夜间，受台风“圣帕”外围影响，中国浙江省温州市苍南县龙港镇遭到长8000米、宽800米的龙卷风袭击，造成11人死亡，60余人受伤，156间房屋倒塌。

有时，同时有几个龙卷一起出现，造成严重灾害。1969年6月30日，在美国西部近海海面上，45分钟内有6个水龙卷并存，致使1200人死亡。1974年4月3日上午9时起的24小时内，美国中西部和南部的12个州共发生148个龙卷，这是美国历史上群发龙卷灾害波及范围最广的一次。

4.飑

气象上所谓飑，是指突然发生的风向突变，风力突增的强风现象。

而飑线是指风向和风力发生剧烈变动的天气变化带，沿着飑线可出现雷暴、暴雨、大风、冰雹和龙卷风等剧烈的天气现象，它是一条雷暴云或积雨云带。

飑线常出现在雷暴云或积雨云到来之前或冷锋之前，春、夏季节的积雨云里最易发生。潮湿不稳定气层能助长飑线的强烈发展。当它即将出现时，天气闷热，风向很乱或多偏南风。当强冷空气入侵时，地面冷锋前部的暖气团中，或低压槽附近，大气存在不稳定层结，此时最易形成飑线天气。飑线多发生在傍晚至夜间。

飑线前部的阵风有时非常强烈，当相互靠近的一些雷暴气流同时下沉时，可造成极端强烈的阵风。向外冲击的冷空气可以损坏在停机坪上的飞机，毁坏大面积的庄稼，掀翻水面舰艇，甚至可以吹倒建筑物。

1980年2月27日在广东潭江水道行驶的曙光401客轮，被飑吹沉，死亡301人，经济损失100万元；1983年3月1日在广东东平水道航行驶的红星283号，被飑吹沉，死亡148人，经济损失110万元；1985年3月27日在广东天河水道航行的红星312客轮，被飑吹沉，死亡83人，经济损失120万元。除此之外，几乎每年都有客、货船被飑吹沉事件发生，造成不同程度损失。

雷电的控制与应用

随着科学技术的迅速发展，雷电这一自然现象已基本上被人们了解。但是我们应当在了解雷电的基础上，做到控制雷电并使之为人类服务。怎样才能利用雷电呢？

人工控制雷电，是指通过人工引雷、消雷的方法，使云中电荷中和、转移或提前释放，控制雷电的产生，以确保空中和地面军事行动的安全。

人工控制雷电的方法有：利用对带电云团播撒冻结核，改变云体的动力学和微物理学过程，以影响雷电放电；采用播撒金属箔以增加云中电导率，使云中电场维持在雷电所需临界强度以下抑制雷电；人为触发雷电放电，使云体一小部分区域在限定的时间内放电。

雷电形成的强大电流、炽热的高温、剧变的静电场和频谱丰富的电磁波，威胁着人畜生命，毁坏建筑物，造成森林火灾，破坏高压输电系统和有线通信系统。干扰无线通讯，造成飞行事故，影响火箭发射等等。危害最大的是云—地雷电。

避雷针虽可防雷，但只限于固定地点和小面积。流动性和大面积防雷，如易燃、易爆物质的运输，核设施和森林的防雷，避雷针是无能为力的。因此，人们积极研究人工控制（抑制和诱发）雷电技术。

人工抑制雷电的一个方法是在雷雨云中用高射炮或飞机播撒数百万个，甚至数十亿个直径数十微米、长数厘米的金属细丝或镀有金属的尼龙细丝。在雷雨云中电场的作用下，细丝发生静电感应，由于尖端效应，细丝两端电荷密度极大，其附近电场极强。当场强达到起晕场强（仍大大低于闪电所需场强）时，发生电晕放电，产生大量正、负离子，使云中大气导电性能改善，在云中形成闪电通道，云内放电次数增加，则危害最大的云—地雷电可以得到抑制。

也可以在雷雨云中的过冷区播撒碘化银晶粒。根据结晶学原理，晶体在生成过程中首先形成晶核，而晶核可以用结构相似的其他物质代替。碘化银晶体结构和冰晶十分相似，是一种十分理想的人工冰核。

因此在雷雨云中播撒了碘化银晶粒后很快可以形成大量冰晶，由于冰晶棱角锋利，可以起到和金离细丝相同的抑制雷电的效果。

因为雷电是雷雨云的产物，雷雨云的形成要靠上升气流。因此，也可以在云中投掷黏土之类的物质形成下沉气流来对抗上升气流，或炮击雷雨云而干扰上升气流，使雷雨云得不到充分发展，雷电也就难以产生。

以上是抑制雷电的物理原理。