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可怕的雷电

(2008年04月24日 16:10:14)
来源:《大自然探索》

□作者: 云 轩

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  一次闪电闪烁的能量是闪电“制造”NOX 的关键,为了尽可能仔细地了解这个“关键”数据,美国宇航局的科学家们尝试运用空间和地面的两种观测设备进行研究。其中,空间观测仪器是安装在“测量对流层降雨量飞行器”上的“闪电光学成像敏感器”,这是一架特殊的照相机,用来观测闪电闪烁的光学特征,借以获取闪电闪烁的能量。地面观测则使用两组仪器,它们都安装在美国佛罗里达州的肯尼迪空间中心。这些仪器可以用来测量积雨云内部很深的区域,借以确定闪电通道的几何图形与一次闪电闪烁积聚的电荷及能量。比较空、地两种观测的测量结果,就可以分析出空间光学测出的能量与地面闪烁测出的能量之间的相关性。如果两者是相关的,就可以利用空间“闪电光学成像敏感器”来寻找全球范围的闪电闪烁的能量。
  这是一个极好的构想,但构想虽好,实现起来却很难,因为:第一,云的介质时刻在变化,很难选择最佳观测地点来获得可靠的观测数据;第二,积雨云内部物质密度很大(用物理术语来说,是“光学厚”的),闪电闪烁的辐射是高能辐射,这种辐射在“光学厚”介质中传播时大部分能量被吸收,剩下的微弱辐射很难被“闪电光学成像敏感器”记录下来;第三,云顶的闪电发生在上层大气中,这里的大气是“光学薄”的,而在“光学薄”介质中传播的辐射能量很少被吸收,所以即使闪电辐射比较弱,仍可能在“闪电光学成像敏感器”上显示出比较明亮的结果。因此,这种记录是不可靠的,所有这一切都给观测带来了麻烦。
  为了克服这些麻烦,科学家希望发明一种不直接估计闪电闪烁能量的新技术,比如利用统计的方法给出大气的化学模型,最后用来模拟闪电。我们期待这个构想早日成功,让科学家更好地了解全球大气“制造”的NOX 数量。
  
  雷电的危害
  
  雷电是一种危害很大的天气现象,它除了污染空气外,还能直接给人类生命财产带来巨大损失。
  
  可怕的雷击 雷电是一种危害很大的天气现象,它除了污染空气外,还能直接给人类生命财产带来巨大损失。2007 年6 月下旬,我国皖南某地遭遇雷击,“哗啦”一声巨响,几个生产队的家用电器全部被烧毁,彩电、冰箱、空调无一幸免。雷电伤人的事也时有所闻,不仅在室外作业的人容易遭雷击,就是呆在家里也难确保无虞。不时有这样的报道:一名妇女在洗澡时不幸被雷击中,死于浴室内;一名学生在灯下读书时被雷击中,不治身亡。
  雷击造成物毁人亡的例子不胜枚举。全球每年死于雷电的民众数以千计,牲畜不计其数。雷电袭击建筑物和公共设施的报道更是屡见不鲜。全球闪电一年造成的经济损失是一个巨大的天文数字。仅在美国,平均一年中就有100 人死于雷电,受伤者更多达数百人,财产损失达数百万美元。
  尤其可怕的是雷电对航天器的影响。1969年“阿波罗-12 号”载人飞船发射期间,闪电将飞船上至关重要的电子设备击坏了,所幸宇航员的安全没有受到威胁。1987 年3 月26 日,一颗研究闪电的卫星受到闪电袭击后,闪电电流显著地改变了存贮在飞行控制系统里的数据,短暂的脉冲干扰产生了严重的偏航指令,造成巨大的动态负荷,最后毁坏了运载工具。
  1987 年,美国科学家准备在沃尔洛普岛发射两枚探空火箭,但由于雷电的直接影响,探空火箭不得不提前发射。
  雷电的偏好对于危害巨大的雷电,人们不得不预防。要预防雷电,首先要知道它在地球上的分布地点和出现时间。经过日夜不停的观测,科学家了解了雷电随经度、纬度和时间(以年为单位)的变化趋势,画出了雷电全球分布图和雷电强度与时间关系图。前一幅图表明,雷电在地球上袭击的地点不是均匀分布的,而是有选择的。从全球来看,最容易遭强雷电袭击的地区,一是美国的佛罗里达,二是喜马拉雅山脉,三是非洲。雷电最不愿意袭击的区域是海洋和南北极。
  科学家对雷电的“偏好”做了仔细分析,发现雷电的“偏好”是地理环境造成的。比如佛罗里达,科学家解释说,有两股海风吹向佛罗里达,一股来自东海岸,一股来自西海岸,两股和煦海风之间的力量推动地面空气向上升,从而触发了雷暴。具体地说,上升气流在雷暴云里面生成了大量涡流,涡流生成了细小冰晶和水滴,即所谓“水汽凝结体”。水汽凝结体相互之间的碰撞生成了正、负电荷,正电荷积累在较大的粒子上,负电荷聚集在较小的粒子上。风和地球引力将带电的水汽凝结体分开,从而在雷暴云里面形成巨大的电位差。这种电位差一有机会就要释放,而释放这个电位差的机制之一就是雷电。观测表明,25%的雷电袭击来自雷暴的带电区域与地面之间的突然放电,即“云-地”雷电,75%的雷电袭击是云与云之间的雷电袭击和云层内部的雷电袭击,即“云-云”雷电。
  
  闪电喜欢袭击喜马拉雅山脉的主要原因是该地区极特别的地形,这种地形迫使从印度洋上来的大量空气聚集在一起,形成剧烈动荡的气流,为雷电的形成提供了温床。而非洲中心全年雷暴频繁,则是大西洋上来的气流在山地作用下局部增强的结果。
  相对而言,大海则是闪电的“墓园”。生活在太平洋一些岛屿上的人,其语言中几乎找不到“闪电”一词。为什么呢?水的热容量较大,海水不容易升温,海面上白天没有陆地那么热,因此海面上空低层大气的温度一般不高。而低层大气的热量是“滋生”闪电的至关重要的因素,没有了这个因素,就失去了孕育闪电的可能性,所以海面上很少见到闪电。南北极的情况亦大致相同。
  雷电强度同时间的关系图给出了一个有趣的结果:北半球大多数雷电发生在夏季,赤道地区雷电出现在春秋两季。这种季节性变化造成一个令人惊奇的南北不对称:夏末,雷电点燃了北美洲的许多野火,因为这个季节北美洲地面干燥,有少量引火物,揿下雷电的“打火机”就能点燃野火。而在南美洲,野火常常是人为的,因为这里的雷电发生在地面潮湿的季节,而潮湿物品是很难被雷电之火点燃的。
  谨防落地雷虽然不是所有的雷电都可怕,但“落地雷”却是一个例外。落地雷是由从云层延伸到地面的闪电形成的,形成过程是:云中闪电向下延伸到地面附近时,地面突出部分特别是物体的尖端部分向空中释放大量电荷,地面物体释放的是正电荷,闪电所带的是负电荷;当负电荷非常接近地面物体、但未与物体接触时,正电荷就冲破空气的约束,主动迎上去;这一过程造成空气在很短时间内被迅速加热到10000~20000 ℃,发生剧烈膨胀,发出声响,最初是“卡嚓嚓”声,最后是惊天动地的霹雳,这就是落地雷。
  落地雷的破坏作用来自其强大的电流、炽热的高温、多种电磁辐射和很强的冲击波。据研究,强雷暴中可以产生1 万~10 万安培电流,这些电流可使其路径上数十厘米直径的空气加热到上万摄氏度!在这么高的温度下,再难熔化的金属也会熔化成“水”,再难点火的物体也能着火燃烧。位于这条路径上的人和牲畜受到如此高温和强大电流的袭击,当然难逃一死。高大建筑物、参天大树、通信设施、通信信号和航天器电子设备等受到雷电产生的强大电磁辐射和冲击波的袭击,当然也会严重受损。
  落地雷危害虽大,但却可以预测。如果雷雨云底层的高度很低,比如离地面只有100 ~200 米,就有可能发生落地雷;如果出现垂直向下的树枝状闪电,也可能发生落地雷。见到这些天气现象,按照下述注意事项去做,就可以预防落地雷:
  1.在雷雨天气里,人和牲畜不要到大树、高大建筑物和高墙下躲避;
  2.不要靠近和接触潮湿的、带电的物体及金属物体;
  3.不要在架空线路和电线杆下行走;
  



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