【科學奧秘】第七集: 閃電如何形成? - 深入解析閃電形成的基本原理和過程

玉言又止

發佈於科學奧秘館

2024/01/25閱讀時間約 15 分鐘

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Johannes Plenio on Unsplash

一提到閃電, 大家腦海裡就會出現明亮的光線, 在雲朵之間穿梭, 並且有各種各樣的形狀, 很多都像樹枝一樣的分岔, 同時還伴有巨大的雷聲。這一切是怎麼發生的呢? 我們今天一起來分析看看。

熟知人類定義閃電已有相當久遠的歷史了, 即使到現在, 也仍然沒有人弄清楚閃電具體到底是怎樣形成的, 原因很簡單, 因為我們無法直接用工具觀測。畢竟, 我們不可能把測量工具放到正在閃電的危險半空中去。

但是關於閃電如何形成, 確有一套完整和具說服力的解釋, 就是人人皆知的摩擦起電效應。

烏雲

首先我們要了解, 在閃電發生的時候, 雲朵是起了很大的作用的。閃電是從雲朵裡產生的, 這裡的雲朵我們可以說是烏雲。烏雲一般都是會下雨的雲, 雲裡面藏有大量水分, 普通打雷閃電的時候我們也會看到降水現象的發生。水在閃電形成的原因裡占了很重要的部分。

那水又如何產生電呢?

開爾文水力發電裝置

其實這個問題早在1840年的時候, 人們就發現了水可以使正負電荷分離。之後, 我們講過的, 將絕對零度定義為零度的開式溫度, 開爾文, 又出場了, 他把水這種液體放在電場裡, 展示了水讓正負電荷分離的現象, 再一次證明了水和電的交互作用, 並且還以此發明了一套科學裝置, 就是利用水來偵測電場的連續性。後面, 開爾文還發明了水力發電或靜電發生裝置, 如圖所示。

開爾文水力發電裝置 by 玉言又止

這個裝置原理很簡單, 它透過通電下面兩個接水容器中的一個, 來使它帶有正電。根據相同電荷相斥, 相反電荷相吸的庫倫靜電原理, 上方的金屬環會自動帶有負電, 從而使連接的另一個接水容器也帶有負電。而上面的水桶連結彎曲的金屬管, 分別對應到兩個接水容器中, 此時受金屬環電性影響, 金屬軟管中的正負電荷就開始在水中分離了, 正電荷離子會滴入正電的水容器裡, 負電荷離子就會滴入負電的容器裡, 此時, 兩個水容器之間近距離接觸的延伸管道端口, 就會開始出現放電現象。

這個裝置完美展示了, 水可以使正負電荷分離, 可以被利用來發電。

閃電的形成

所以含有大量水分的烏雲也是一樣。閃電形成前夕, 這些烏雲就已經有電場存在了, 水離子在其中充當電荷載體的角色, 對流空氣也十分明顯。全世界70%的閃電都發生在強對流的熱帶地區, 強對流會讓熱空氣和冷空氣加速移動, 熱空氣向上, 冷空氣向下。烏雲裡的水滴溫度在零下15到25度左右, 與熱空氣的溫度形成強烈溫差, 加上冷熱氣體的強對流, 使得烏雲中間部分開始生產大量的, 冰晶, 超冷水滴和小冰雹。冰晶和超冷水滴都比較輕, 隨著雲朵內上升氣流而上升, 而小冰雹會比較重, 大多滯留在中間或者雲朵下方運動。

此時雲朵中間這個部分, 開始產生大量的碰撞, 摩擦起電效應也就產生了。

閃電的形成 by 玉言又止

因為產生閃電的烏雲本身就已具有電場, 同時超冷水滴的水離子也活躍其中, 所以水離子在與這些物質的碰撞中, 會發生電化學反應, 促使這些粒子變成正負電荷。雲朵中間這塊, 就成了大量複合型離子和電子的聚集地。

其中, 重量輕且上浮的冰晶會在碰撞摩擦中, 和超冷水滴起化學反應, 變成正電荷, 受上升氣流和風的影響, 正電荷和剩餘的冰晶會往烏雲上方繼續運動堆積, 之後四散出去, 離開雲朵, 形成一個像鐵佔形狀的部分, 又叫鐵佔部分。而一些相對較小的小冰雹則會在這個過程中變成負電荷, 堆積在雲朵下半部分, 不會飄散走。於是, 正負電荷就在這裡大量中和, 反應, 電離氣體放電, 形成我們看到的最初的閃電。所以鐵佔部分, 也就是烏雲的上半部分, 才是閃電形成的主要區域, 正負電荷都是在這裡大量形成的。

在烏雲的底部附近, 也有少量的正電荷產生, 堆積。因為這部分更接近與地表, 有更熱的空氣, 也有充足的水分。這部分正電荷, 雖然量少, 但是起到了不可忽視的重要作用, 後面會慢慢講到。

而以上就是整個閃電產生的基本原理和過程了。

烏雲裡的電場之謎

即使這些沒有足夠的科學證據去解釋和證明, 都是理論推測, 但由於摩擦起電效應這個說法即方便理解又合情合理, 所以被主流大量接受和認可。那這裡還遺留下一個問題: 烏雲裡面的電場從何而來呢?

個人這裡猜測是由於宇宙中的粒子參與。因為太陽輻射在經過幾層大氣層過濾後, 到達地球, 一定會有一些極小部分逃逸的高能量粒子進入到對流層中去。而這些粒子的能量相比普通地球上存在的粒子能量要大很多很多。而這些高能量粒子的最大可能來源就是, 太陽的耀斑活動。因為那裡是銀河系中能量最高最熱的地方。

高能量粒子存在佐證

其中有一種beta粒子就是已知的一種速度最快的粒子, 相當於光速的三分之一, 是一種高能量粒子。而太陽耀斑活動產生的高能量粒子就有很多很多高能量電子, 它們的運動速度極快, 最快的近似光速, 但不會超過光速。這些高能量電子一部分逃逸出來, 穿過層層大氣的同時, 受引力影響, 獲得加速度, 就會像滾雪球一樣, 能量越堆越高, 速度也越來越快。而大部分的能量會在這個過程中通過與其它粒子碰撞摩擦, 轉化為熱能, 剩餘的才會繼續運動至對流層, 堆積在厚厚的雲層裡面。而烏雲裡面充足的水分, 和強對流的冷熱空氣, 電子劇烈運動, 高能量電場也就這樣產生了。後續水離子才在中間可以對其他粒子產生摩擦起電作用。

這樣也就可以順便解釋, 為甚麼70%的閃電都發生在熱帶了。因為剛好是赤道附近, 和太陽的距離最近, 高能量電子可以以最少的消耗, 逃逸到地球的對流層裡。所以在赤道附近的地帶, 逃逸的高能量電子保存住盡可能大的能量的可能性最大, 這種強度形成的電場, 才可能發出高達3億瓦或3萬安培強度電流的閃電。

雷聲的原因

同時我們還會注意到, 閃電會伴隨雷聲, 為甚麼? 答案因為閃電放電時, 會大幅加熱周圍的氣體, 使周圍氣體粒子加速運動, 互相擠壓, 產生巨大壓力和熱量, 使正常聲波傳播的路徑受到劇烈干擾, 發出震波, 引發爆破的聲音, 傳到我們的耳朵裡, 就是雷聲。

這種震波消散的速度特別快, 發生的源頭也很離散, 所以我們聽到的雷聲是轟隆隆, 斷斷續續的, 而不是連貫一致的。

閃電距離計算

另外有一個小計算, 聲波在空氣中的傳播速度為大約每秒343米, 而閃電和雷聲幾乎是同時發生, 所以我們可以根據從閃電出現的那一瞬間開始計時, 到聽到雷聲終止計時, 得到間隔時間秒數, 就可以計算出閃電與我們所在地的大致距離。

閃電距離計算 by 玉言又止

閃電的類型

那閃電的形狀如此之多, 它們又是怎樣區分的呢?

按實際觀測的結果來分類的話, 閃電有三種類型。

一種是雲地閃電, 從雲朵內部放電到地上。第二種是雲間閃電, 雲朵和雲朵之間產生電離, 形成離子通道的閃電, 第三種則是雲內閃電, 是指單個雲朵內部單獨形成離子通道, 電場不會大到使電荷跑到雲層外的閃電現象。而我們一般都是以雲地閃電為研究對象, 原因有地表參與, 方便人們科學測量, 即使全球雲地閃電的發生概率只佔所有閃電類型的25%, 也就是四分之一。

雲地閃電

1. 主引線和隻引線

我們先來講雲地閃電, 烏雲內部因為逃逸的高能量電子堆積加上強對流空氣和冷熱溫差, 雲朵上方的鐵佔部分充斥的正電粒子和其餘部分的電子快速結合, 過量的電流致使周圍氣體的絕緣閾值被衝破, 雲內氣體成為導電體, 形成離子態, 放電並發出明亮的藍白色光芒。可能或不可能形成一條線, 就是主引線。主引線一般從烏雲內部出發, 一直延伸到雲層外, 還會生出隻引線, 就是那些像樹枝分叉一樣的邊線, 它們呈階梯式向下爬行, 就形成了我們看到的大部分閃電的樣子。

而主引線又有兩種電性, 一種是正電, 一種是負電。一般情況下, 負電主引線居多, 又叫負電閃電。我們先講負電閃電形成的原因, 正電閃電稍後再講。

負電閃電中, 雲朵中間和偏上的部分, 是主要電離和劇烈放電的部分, 加上高能量電場的存在, 如果此時有多餘的未被中和掉的負電荷, 就會形成一個雙向電離通道, 就是我們所說的主引線。它有兩頭, 一頭是正電, 另一頭是負電, 兩頭都可以形成電流。

主引線 by 玉言又止

通常, 往下延伸的那頭是負電, 因為電子在下方積累比較多。這條雙向電離通道的兩頭, 又叫「尖端」, 會各自主動尋找電性相反的電荷結合。正電尖端尋找負電荷, 負電尖端尋找正電荷。而由於此時的烏雲負電荷數量是略為多一點的, 所以這些剩餘的負電荷就會形成一條主引線, 開始往雲朵外延伸, 它們會去結合空氣中的正電荷或者地表上的正電荷。但是它們不是一條直直的線下去, 而是隔一段時間, 就會生出分岔的隻引線。隻引線的產生, 是因為每隔一段時間, 離子通道會暫停一下, 聚集大量的電子, 在此處重新生產出新的引線, 就是隻引線, 這個聚集電子的地方又叫「蓄電端」, 一條主引線有很多個蓄電端, 可以生產出很多條隻引線, 最多的可達到30個。觀測角度來看, 那些很有規律一左一右分布的分岔線就是了, 在慢動作中你會看到它們是一節一節笨拙的朝外延伸。所以閃電就是按照這樣的原理向外爬的。

隻引線和「尖端」 by 玉言又止

隻引線也會主動去尋找正電荷中和自己, 但不是所有的隻引線都能成功。一部分成功, 一部分仍保持活躍狀態的情況非常常見。所以我們會看見閃電像一根樹枝在空中爬行, 但不會遍布整片天空, 這就是還沒有被中和的活躍的隻引線帶來的視覺效果。

2.「附著」和「回擊」

當這些沒被中和掉的負電閃電跑出雲層時, 周圍的空氣會被迅速電離, 成為導電體。此時如果雲層底部附近出現因為接近地表, 高溫和水的作用, 而堆積的正電荷, 正負電荷就會迅速聚集, 準備連接, 這一刻的瞬間稱為「附著」。正負電荷附著的那一刻, 就是能量大爆發的一刻, 此時大量電荷以三分之一的光速, 迅速連接上上方整條閃電的所有部分, 閃電以更亮的光一閃而過, 亮光加劇, 照亮整片天空, 這個過程就叫作「回擊」。

而「回擊」的路線, 一般會與之前形成的隻引線路線一樣, 不會創造新的路線。 原因正電引線會比負電引線要消散的更快, 因為正電荷本身的電場就是向外傳遞發散的, 負電荷則是像內吸引, 所以正電引線幾乎是在它形成並附著上負電引線的那一刻, 就要消失了, 所以沒有足夠的時間去創造新的「回擊」路線。

3.「緊縮引線」和「飛彈引線」

但有時候, 我們會發現, 在這一閃而過的瞬間裡, 整個閃電覆蓋範圍似乎會有擴大, 彷彿會比剛才那個生長出了更多的枝椏, 這個過程裡又發生了甚麼呢?

是負電隻引線引發的後續效應功勞。當雲朵底部附近或者地表的正電引線和空中延伸下來的負電引線附著的一瞬間, 正電荷被迅速中和, 剩下沒有成功抓住機會的負電引線就會重新嘗試連接回去原有的閃電引線網路部分, 這個返回去連接主網路的負電引線又叫「緊縮」引線, 因為它們能量更低, 電流也更小, 它們一般在形成時, 也同正電引線一樣, 會開始消失。

但是, 一旦這種緊縮引線連接主網路成功, 能量就會再次激發, 產生另一種引線, 叫「飛彈」引線。字如其名, 「飛彈」引線, 速度極快, 路線離散, 在整片閃電網路中飛來飛去, 四處開花。此時, 閃電會彷彿得到額外的加注能量, 再次迸發閃光, 照耀整片天空。而「飛彈」引線極快的穿梭速度, 加上範圍極廣, 它也是造成自然災害和人員傷亡的主要禍首。因為人離地表更近, 同時也是導電體, 如同高高的樹木和尖形的金屬物體, 是電流借助快速連接地表的橋樑, 閃電則會通過「飛彈」引線, 實現這個過程。一旦被連上, 幾百萬甚至幾千萬電壓的電流就會從你身上流過, 進入地表。

所以, 當你看到閃電範圍突然擴大時, 就要十分小心了, 這是閃電最危險的時候。

閃電的直接擊中 by 玉言又止

如果此時地表有正在電離放電的物體, 或帶有正電荷的物體, 可能會出現負電閃電主引線直接連上去, 你會看見乾淨俐落的一條引線直直下來, 下方物體一條正電引線迅速生成往上爬升, 附著那一刻, 就是我們說的樹木或人被擊中的那一刻。這是閃電另外一種不通過「飛彈」引線而直接傷到人類或者引起火災的方式。

3.電流的「表皮效應」

那被閃電擊中的一瞬間, 電流會一下子全部流入地表而消失嗎? 並不是, 閃電的電流能在1到10微秒之內, 達到峰值, 但完全消散卻需要50到100微秒的時長, 這多出來的幾十倍時間, 就是電流產生「表皮效應」的時間。「表皮效應」是指電流從物體最外層的表面流過, 越是接近物體內部中心, 電流越小。所以, 人們利用這一點, 為了讓避雷設施能夠承擔和分散更多的電流, 會在這些導電體外層纏繞許多股金屬絲, 使被閃電擊中後, 電流的「表皮效應」達到最大化, 阻止過量的電流由於過於集中而損壞設施的現象。

正電閃電和負電閃電的區別

最後, 我們簡單來介紹一下正電閃電的產生和區別。正電閃電生成較少的原因是因為, 正電荷大都會被上升氣流帶到雲層上方鋪散開來, 而不會聚集在下方堆積, 它們都位於雲朵的鐵佔部分。除非有水平方向強有力的風, 改變了雲層內正負電荷的分布方位, 或者下方的負電荷被消耗完, 又或者上方正電荷提前直接與其他雲朵裡的負電荷中和形成雙向電離通道, 脫離自身下方負電荷區域而直接朝雲層外水平延伸爬行, 多出現於雲間閃電中。這種爬行方式又叫「鐵佔爬行」, 看起來就像是在橫著爬, 因為是雲朵之間的閃電。

結論

所以, 閃電的形成和發生的過程結論就是, 因為溫差和強對流的原因, 加上宇宙中逃逸出來的高能量電子堆積, 在充滿水分的烏雲內部形成高能量電場, 與是水離子和其他粒子產生電化學反應, 形成最初的閃電放電源頭。多餘的負電電荷會形成雙向電離離子通道, 伸出雲層外, 長出隻引線, 與地表或雲朵下方附近的正電引線中和, 產生「回擊」, 閃電能量提升, 同時生成「緊縮」引線, 嘗試連回閃電主網路, 連接成功便形成「飛彈」引線, 閃電電流再次變大變強, 可能造成災害和人員傷亡。