闪电

[拼音]：shandian

[外文]：lightning

大气中发生的火花放电现象。通常在雷雨云情况下出现，但在雨层云、雪暴、尘暴和火山爆发时也会偶尔出现。闪电按发生的部位可分为云内放电、云际放电和云地放电三种，前两种统称为云闪，第三种称为地闪（图1）。

自然界中大部分闪电为云闪。 地闪与闪电总数的比值为1/3～1/6(温带地区的比值高于热带地区)。由于地闪对人类活动和生命安全有较大威胁，故研究比较多。

闪电现象和它对人类活动的影响，早已引起人们的注意。中国早在公元前14世纪的殷代甲骨文中，就已有关于雷电的记载(见大气科学发展简史)。后在西汉刘安等著的《淮南子》中，提出“阴阳相薄为雷，激扬为电”的思想。东汉王充在《论衡》一书中指出：“雷者，太阳之激气也。”他还总结了雷电活动的季节性：“正月始雷”、“五月雷迅”、“秋冬雷潜”。到18世纪，为揭示闪电的性质，许多科学家进行了探测实验。如美国学者B.富兰克林在1750年曾提出，用装在高塔上的避雷针，由云中引电进行测量的设想。1752年6月他冒着雷击的危险，在费城进行了著名的风筝探测雷电的实验，观测到了通过风筝引线由雷雨云产生的电火花，证实了自然闪电和摩擦产生的电本质的一致性。同一时期，苏联学者Μ.Β.罗蒙诺索夫和Γ.Β.里赫曼用自制测雷器探测到了雷暴过境所引起的电火花，不幸的是里赫曼为闪电击毙。自此以后，开始了关于闪电在电学基础上的近代研究。

由云中曲折行进到达地面的闪电，人眼看上去似乎是一次瞬间闪光，但通过高速摄影揭示，它往往是由同一条通道、彼此间隔约百分之几秒的多次相继放电组成（图2）。整个闪电过程的每一次放电，称为闪击，一次闪电经常可记录到数次闪击，有的多达10次以上。

闪击一般包含先导和回击两个过程。先导是为闪电放电建立电离通道的准备过程，分为梯级先导和直窜先导两种。梯级先导是象阶梯一样逐级伸向地面的暗淡光柱，它的直径约5米，每级长约50米，先导约以10⁷米/秒的速度通过这一段路程，然后间歇约30～100微秒，再继续向前延伸。故整个梯级先导以约 1.5×10⁵米/秒的平均速度迅速向地面伸展。梯级先导为回击建立了电离通道，当先导距地面5～50米时，则地面上某点将产生沿电离通道向上行进的回击过程。回击的发光度比先导强得多，肉眼所见的闪光即为回击，速度约为 5×10⁷米/秒，持续约40微秒，通过的电流约10⁴安，偶尔可达10⁵安。回击通道直径平均仅数厘米。在梯级先导和第一次回击通过之后，可能有百分之几秒的时间间歇，随后是第二次先导和回击。第二次以后的各次先导，通常由云至地直窜而下，称为直窜先导。由于它没有梯级，所以运动速度大约比梯级先导高10倍。一次闪电的整个持续时间约0.2秒，大约由云中向地面输送数十库负电荷。

因为闪电不是稳态过程，也不受放电电极的影响，故用强电场中电子雪崩（由于电子碰撞的连锁反应而使电子浓度剧增）的放电理论来解释闪电过程时，遇到很多困难。因此有人提出流光理论，认为当电子雪崩很强时将产生光子发射，并由此产生光电离而形成新的衍生电子雪崩，这种不断向前发展的强电离区称为流光，向阳（阴）极扩展的称为正（负）流光。流光理论能够较好地解释闪电放电，按这种理论，梯级先导是一种以梯级形式推进的负流光，它的整体速度类似于空气中实验室火花的负流光速度。直窜先导是沿先前电离通道推进的负流光，而回击是由地面向上推进的正流光。

闪电在距离l 处产生的电场包含静电场、感应场和辐射场三种成分。静电场分量正比于放电电矩，与l³成反比；电磁感应分量取决于放电电流，与l²成反比；电磁辐射场分量取决于放电时电荷运动的加速度，与l 成反比。因此，对近处放电，静电场作用大，而对很远的放电，辐射场作用大（见天电）。一次闪击的电场变化，最初是与先导放电有关的、持续约0.1秒的缓变部分（L变化），随后是与回击有关的、持续时间小于1毫秒的快速梯级变化（R变化），最后是持续时间约0.1秒的缓变（S变化）。多次闪击的电场变化，都再次从L变化开始，以S变化结束，其间是对应于地闪的R变化和两次R变化之间的缓慢变化（J变化），后者是两次闪击间歇不发光的放电过程形成的（图3）。

闪电发射光谱的观测研究，提供了闪电物理性质的最早线索。考察 3000～10000埃的闪电光谱时，发现它是在弱连续光谱的背景上，由原子和离子发射谱线以及分子的发射和吸收带组成的。已发表的近两百条谱线，大多数属于中性的和电离的氮和氧的发射谱线。由闪电光谱的研究，可推断闪电通道的温度在几微秒内就达到25000～30000K的峰值，但在30微秒左右，已降到半峰值；在峰值温度时通道中的电子浓度为10¹⁷～10¹⁸个/厘米³，约大于或等于通道中的分子、原子和离子的浓度之和；压力达10个大气压。闪电光谱的一些研究结果与电磁方法观测的闪电电学参数相吻合。从电力、建筑等部门的防雷保护设计来说，闪电电流是闪电放电的一个最重要的参数，并由此可以推断有关电荷、能量、电矩等参数。闪电的电流一般在10微秒左右达到峰值（10～100千安），在峰值电流之前电流上升率达最大值（约10千安/微秒）。云地电位差一般为10⁷～10⁸伏，一次输送约20库电荷，所以一次闪电的能量约为2×(10⁸～10⁹)焦。 这样强大的闪电电流在数厘米直径的通道内瞬间通过，产生了激震波，在传播一定距离之后退化为声波，即我们听到的雷声。

根据闪电的不同形态和特征，可将闪电分为线状闪电、带状闪电、火箭状闪电、片状闪电、热闪电、珠状闪电和球状闪电等不同类型。自然界最常见的是线状闪电，它最主要的特征是细亮的发光光柱。如光柱平直而不分叉，象树干一样，则称为枝状闪电；如光柱蜿蜒曲折而又分叉，则称为叉状闪电（见彩图）。带状闪电是一种宽约十几米，看上去呈带状的云地闪电（图4），它是由于线状闪电的通道受强风影响而移动，致使闪电中的各次闪击的空间位置在水平方向上分开而呈带状。火箭状闪电是一种长路径的空气放电，肉眼可直接观测到放电象箭似地沿闪电通道缓缓移动，整个放电的持续时间约1秒。片状闪电用来称呼那些使一片云或几块云发亮的闪电。热闪电用来称呼那些远得听不到雷声只看到闪光的闪电。片状闪电与热闪电常常较难以区分。珠状闪电指那种闪电通道看起来好象断裂成许多小段那样的闪电。每段长约数十米，远看好象一串佛珠悬挂在天空。球状闪电是一种不太常见而又会造成一定危害的奇异闪电(见彩图)，通常在有强雷暴时出现。它外观呈球状，直径10～20厘米（也有小于1厘米甚至大到10米的），呈红、橙或黄色，存在时间小于5秒（少数超过1分钟），水平移动速度通常为每秒数米，有时能停在半空中不动或由空中向地面降落。球状闪电有爱钻缝的癖性，消失时常伴有爆炸并发出巨响，也有无声无息消失的，消失处常有股像臭氧或一氧化氮的气味。关于球状闪电的成因，曾有很多假说，尚无一致意见，有人认为球状闪电是被加热的空气球，也有人认为它是极高密度的等离子体（电子浓度约为10²⁵个/米³）等。球状闪电的能量来源也有两种说法：

（1）认为球状闪电的能量贮藏在球体之中，例如气体反应的化学能、带电粒子的复合能、受激原子或分子的辐射能等维持了球状闪电；

（2）认为球状闪电的能量来自球外，例如雷雨云发出的数百兆赫的射频辐射能量或放射性的宇宙线粒子在雷雨云强电场中聚集，发生核裂变反应，为产生球状闪电提供了足够的能量。上述理论尚有争议，都不能说明球状闪电的移动特性等。

参考书目

1. R.H.戈尔德编，周诗健等译：《雷电》，上卷，电力工业出版社，北京，1982。(R.H.Golde.ed.，Lightning，Vol.1，Academic Press，London，1977.)
2. M.A.Uman，Lightning，McGraw-Hill，New York，1969.