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可怕的雷電

(2008年04月24日 16:10:14)
來源︰《大自然探索》

□作者: 雲 軒

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  一次閃電閃爍的能量是閃電“制造”NOX 的關鍵,為了盡可能仔細地了解這個“關鍵”數據,美國宇航局的科學家們嘗試運用空間和地面的兩種觀測設備進行研究。其中,空間觀測儀器是安裝在“測量對流層降雨量飛行器”上的“閃電光學成像敏感器”,這是一架特殊的照相機,用來觀測閃電閃爍的光學特征,借以獲取閃電閃爍的能量。地面觀測則使用兩組儀器,它們都安裝在美國佛羅里達州的肯尼迪空間中心。這些儀器可以用來測量積雨雲內部很深的區域,借以確定閃電通道的幾何圖形與一次閃電閃爍積聚的電荷及能量。比較空、地兩種觀測的測量結果,就可以分析出空間光學測出的能量與地面閃爍測出的能量之間的相關性。如果兩者是相關的,就可以利用空間“閃電光學成像敏感器”來尋找全球範圍的閃電閃爍的能量。
  這是一個極好的構想,但構想雖好,實現起來卻很難,因為︰第一,雲的介質時刻在變化,很難選擇最佳觀測地點來獲得可靠的觀測數據;第二,積雨雲內部物質密度很大(用物理術語來說,是“光學厚”的),閃電閃爍的輻射是高能輻射,這種輻射在“光學厚”介質中傳播時大部分能量被吸收,剩下的微弱輻射很難被“閃電光學成像敏感器”記錄下來;第三,雲頂的閃電發生在上層大氣中,這里的大氣是“光學薄”的,而在“光學薄”介質中傳播的輻射能量很少被吸收,所以即使閃電輻射比較弱,仍可能在“閃電光學成像敏感器”上顯示出比較明亮的結果。因此,這種記錄是不可靠的,所有這一切都給觀測帶來了麻煩。
  為了克服這些麻煩,科學家希望發明一種不直接估計閃電閃爍能量的新技術,比如利用統計的方法給出大氣的化學模型,最後用來模擬閃電。我們期待這個構想早日成功,讓科學家更好地了解全球大氣“制造”的NOX 數量。
  
  雷電的危害
  
  雷電是一種危害很大的天氣現象,它除了污染空氣外,還能直接給人類生命財產帶來巨大損失。
  
  可怕的雷擊 雷電是一種危害很大的天氣現象,它除了污染空氣外,還能直接給人類生命財產帶來巨大損失。2007 年6 月下旬,我國皖南某地遭遇雷擊,“嘩啦”一聲巨響,幾個生產隊的家用電器全部被燒毀,彩電、冰箱、空調無一幸免。雷電傷人的事也時有所聞,不僅在室外作業的人容易遭雷擊,就是呆在家里也難確保無虞。不時有這樣的報道︰一名婦女在洗澡時不幸被雷擊中,死于浴室內;一名學生在燈下讀書時被雷擊中,不治身亡。
  雷擊造成物毀人亡的例子不勝枚舉。全球每年死于雷電的民眾數以千計,牲畜不計其數。雷電襲擊建築物和公共設施的報道更是屢見不鮮。全球閃電一年造成的經濟損失是一個巨大的天文數字。僅在美國,平均一年中就有100 人死于雷電,受傷者更多達數百人,財產損失達數百萬美元。
  尤其可怕的是雷電對航天器的影響。1969年“阿波羅-12 號”載人飛船發射期間,閃電將飛船上至關重要的電子設備擊壞了,所幸宇航員的安全沒有受到威脅。1987 年3 月26 日,一顆研究閃電的衛星受到閃電襲擊後,閃電電流顯著地改變了存貯在飛行控制系統里的數據,短暫的脈沖干擾產生了嚴重的偏航指令,造成巨大的動態負荷,最後毀壞了運載工具。
  1987 年,美國科學家準備在沃爾洛普島發射兩枚探空火箭,但由于雷電的直接影響,探空火箭不得不提前發射。
  雷電的偏好對于危害巨大的雷電,人們不得不預防。要預防雷電,首先要知道它在地球上的分布地點和出現時間。經過日夜不停的觀測,科學家了解了雷電隨經度、緯度和時間(以年為單位)的變化趨勢,畫出了雷電全球分布圖和雷電強度與時間關系圖。前一幅圖表明,雷電在地球上襲擊的地點不是均勻分布的,而是有選擇的。從全球來看,最容易遭強雷電襲擊的地區,一是美國的佛羅里達,二是喜馬拉雅山脈,三是非洲。雷電最不願意襲擊的區域是海洋和南北極。
  科學家對雷電的“偏好”做了仔細分析,發現雷電的“偏好”是地理環境造成的。比如佛羅里達,科學家解釋說,有兩股海風吹向佛羅里達,一股來自東海岸,一股來自西海岸,兩股和煦海風之間的力量推動地面空氣向上升,從而觸發了雷暴。具體地說,上升氣流在雷暴雲里面生成了大量渦流,渦流生成了細小冰晶和水滴,即所謂“水汽凝結體”。水汽凝結體相互之間的踫撞生成了正、負電荷,正電荷積累在較大的粒子上,負電荷聚集在較小的粒子上。風和地球引力將帶電的水汽凝結體分開,從而在雷暴雲里面形成巨大的電位差。這種電位差一有機會就要釋放,而釋放這個電位差的機制之一就是雷電。觀測表明,25%的雷電襲擊來自雷暴的帶電區域與地面之間的突然放電,即“雲-地”雷電,75%的雷電襲擊是雲與雲之間的雷電襲擊和雲層內部的雷電襲擊,即“雲-雲”雷電。
  
  閃電喜歡襲擊喜馬拉雅山脈的主要原因是該地區極特別的地形,這種地形迫使從印度洋上來的大量空氣聚集在一起,形成劇烈動蕩的氣流,為雷電的形成提供了溫床。而非洲中心全年雷暴頻繁,則是大西洋上來的氣流在山地作用下局部增強的結果。
  相對而言,大海則是閃電的“墓園”。生活在太平洋一些島嶼上的人,其語言中幾乎找不到“閃電”一詞。為什麼呢?水的熱容量較大,海水不容易升溫,海面上白天沒有陸地那麼熱,因此海面上空低層大氣的溫度一般不高。而低層大氣的熱量是“滋生”閃電的至關重要的因素,沒有了這個因素,就失去了孕育閃電的可能性,所以海面上很少見到閃電。南北極的情況亦大致相同。
  雷電強度同時間的關系圖給出了一個有趣的結果︰北半球大多數雷電發生在夏季,赤道地區雷電出現在春秋兩季。這種季節性變化造成一個令人驚奇的南北不對稱︰夏末,雷電點燃了北美洲的許多野火,因為這個季節北美洲地面干燥,有少量引火物,撳下雷電的“打火機”就能點燃野火。而在南美洲,野火常常是人為的,因為這里的雷電發生在地面潮濕的季節,而潮濕物品是很難被雷電之火點燃的。
  謹防落地雷雖然不是所有的雷電都可怕,但“落地雷”卻是一個例外。落地雷是由從雲層延伸到地面的閃電形成的,形成過程是︰雲中閃電向下延伸到地面附近時,地面突出部分特別是物體的尖端部分向空中釋放大量電荷,地面物體釋放的是正電荷,閃電所帶的是負電荷;當負電荷非常接近地面物體、但未與物體接觸時,正電荷就沖破空氣的約束,主動迎上去;這一過程造成空氣在很短時間內被迅速加熱到10000∼20000 ℃,發生劇烈膨脹,發出聲響,最初是“卡嚓嚓”聲,最後是驚天動地的霹靂,這就是落地雷。
  落地雷的破壞作用來自其強大的電流、熾熱的高溫、多種電磁輻射和很強的沖擊波。據研究,強雷暴中可以產生1 萬∼10 萬安培電流,這些電流可使其路徑上數十厘米直徑的空氣加熱到上萬攝氏度!在這麼高的溫度下,再難熔化的金屬也會熔化成“水”,再難點火的物體也能著火燃燒。位于這條路徑上的人和牲畜受到如此高溫和強大電流的襲擊,當然難逃一死。高大建築物、參天大樹、通信設施、通信信號和航天器電子設備等受到雷電產生的強大電磁輻射和沖擊波的襲擊,當然也會嚴重受損。
  落地雷危害雖大,但卻可以預測。如果雷雨雲底層的高度很低,比如離地面只有100 ∼200 米,就有可能發生落地雷;如果出現垂直向下的樹枝狀閃電,也可能發生落地雷。見到這些天氣現象,按照下述注意事項去做,就可以預防落地雷︰
  1.在雷雨天氣里,人和牲畜不要到大樹、高大建築物和高牆下躲避;
  2.不要靠近和接觸潮濕的、帶電的物體及金屬物體;
  3.不要在架空線路和電線桿下行走;
  



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