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解密骤亮的空中「裂缝」
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2011-8-15 9:30:30  来源:上海市气象信息传媒中心


    1752年的一天,阴云密布、电闪雷鸣,一场暴风雨即将来临了。一个风筝、一根金属导线、一枚金属钥匙,富兰克林和他的儿子威廉冒着生命危险捕捉“天电”的“风筝实验”揭开了雷电的神秘面纱。

    谁让大气带上电
    雷电是指带有不同符号电荷的云体、云块或云地之间发生的强烈闪光的放电。大气带电粒子的形成是由于地壳中放射性物质辐射的射线,大气中放射性物质辐射的射线和来自地球外太空的宇宙射线作用于大气分子,使大气分子电离而产生了大气带电离子。此外,波长小于100纳米的紫外线、闪电、火山爆发、森林火灾、尘暴和雪暴等,局部范围还有人工产生的如火箭、飞机、工厂产生的离子,均可使大气分子电离,成为带电离子。
    闪电通常发生在积雨云中,一般来说,积雨云起电机制包括碰撞感应起电学说、温差起电学说和破碎起电学说、对流起电学说。
    碰撞感应起电:积雨云中降水粒子和云粒子相互碰撞,发生电量交换,最后导致降水粒子带负电,云粒子带正电。
    温差起电:云中雹粒、冰晶碰撞摩擦增温,由于冰的热电效应,形成电荷的分离,并且由于云中的重力分离作用,使得带正电的冰晶随气流升至云体上部,而带负电的雹粒因重力降至云的下部。
    破碎起电:大雨滴由于上升气流产生形变,最后大雨滴上部破碎成带负电的小水滴,下半部碎成带正电的较大水滴。
    对流起电:上升气流携带云底正离子向云中运动,直至上部形成正电荷区。由于高空传导电流使大量负离子来到云的上表面并附在云滴或冰晶上,然后由云周围强烈的下沉气流带下来。到达云下的负电荷增强了地面电场,使地面感应,产生尖端放电,从而产生更多的正离子。

    雷电的危害
    雷电的破坏作用有热效应、机械效应、电磁效应、静电感应效应、电磁辐射效应、雷电反击、冲击波效应等。雷电被列十大自然灾害之一,美国更是将雷电列为排名第二的天气杀手。现代电子设备采用了大规模集成电路取代了电子管,体现出了集成度高、运转速度快的优越性。但这些微电子设备工作电压非常低,它的耐过电压、过电流和抗雷击电磁脉冲的能力差,极易遭受雷电的侵害。由于微电子设备对雷电产生的强大电磁脉冲非常敏感,因此雷电带来的损失和影响也越来越大,尤其是在经济发达国家,雷击造成的电子设备直接经济损失达雷电灾害损失的80%以上,而间接损失更是难以估量。目前雷电的灾害主要是集中在微电子器件设备上。

    雷电的巨大威力
    据统计,每秒钟地球造就1800次雷电,伴随600次闪电,其中有100次击落到地面。而总的来说,全球从南纬60度到北纬80度都有雷电活动,陆地多于海洋;热带最多,温带地区一年四季都会出现,并以春夏季节为最多。雷电出现的开始月份一般从南往北,由东向西逐渐推迟,一般于9至10月份结束。
    一次闪电所带的电荷量一般可以达到几百库仑到一千库仑,而且雷电发生的时间却很短,在微秒级别,因此雷电产生的电流是相当恐怖的。一次雷电的电流可以达到上万安培,甚至几十万安培。上海气象部门的闪电定位系统最大一次测得过30万安培的电流。

    现代雷电观测手段
    气象观测者是如何“捕捉”到雷电的呢?在以前人们可能只能通过看和听去了解雷电,但随着气象科学技术的发展,我们的观测手段也越来越多样化。目前除了人工观测以外,对于雷电的“捕捉”还有声探测器、电场仪、光谱仪、卫星、雷电、闪电定位系统。其中闪电定位系统是观测雷电“好帮手”,它是利用闪电电磁场相位差和闪电天、地波到达时间差的原理而制作的。


8月3日上海雷声滚滚 这是当日14时30分闪电定位仪监测结果

    现代防雷技术
    现代防雷技术是一项系统性的综合工程,包括接闪器技术、引下线技术、接地技术、屏蔽技术、防反击技术、等电位连接、过电压保护。现代防雷技术还可分为外部防雷和内部防雷,外部防雷简单的来说就是防止雷击,而内部防雷是指防止雷电对建筑物内电子设备和电气系统的损害。
闪电电磁辐射通过空间以电磁场形式耦合到点在设备的天线上、电缆设备上。雷电干扰是造成计算机硬件损坏的主要根源之一,也是造成通信系统设备损害的根本原因之一。雷电从二维空间的闪电直击和过电压波沿线传输变为三维空间的脉冲电磁场,因此防雷工程已从防直击雷、感应雷进入防雷电电磁脉冲。一次闪电平均包含有上万个脉冲放电过程,电流脉冲平均幅值为几万安培,持续时间几十到上百微妙。闪电通道大约有几百米至几千米长,在放电过程中,它们向外辐射高频和甚高频电磁能量,这就是雷电电磁脉冲。

    防雷误区
    雷雨天在室内也并非绝对安全,在室内也不乏遭雷击伤亡的事例。这是由于当雷电袭击没有安装避雷装置的房间,闪电电流通常沿电话线、照明电线等进入室内,并沿水管或电器线路入地。当某些金属管道接地不好时,人体接触到就会遭遇雷击。因此,雷点发生时最好不要使用淋浴器、电话、家用电器。
    当闪电击中地面时,会在击中点的周围形成压降。此时,人虽然未被闪电直接击中,但是由于人体双脚接触地面,就会形成跨步电压,造成雷电伤害。步子迈的越大,电压差也越大,造成的伤害也越大。因此,当雷击发生很近时,应小步快跑,找到安全的地方躲避。
    谈到雷电人们总是想到雷电的种种危害,似乎雷电一无是处,其实不然。雷电会生产一种高效的天然肥料,雷电发生时,空气中的氮和氧会经电离和化合而形成易被植物吸收的氮肥。所以也有“雷雨发庄稼”之说,据统计,一年当中地球上每一公顷土地都可获得几公斤这种从高空来的免费肥料。此外,在雷电发生的一瞬间,除了产生极强的电流和高温外,还会产生极少量的臭氧,而臭氧是地球上一切生物的保护伞,能使地球表面的生物免遭紫外线的危害。



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