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閃電現象科普

生活 更新时间:2024-11-30 23:44:20

閃電是自然界中一種神秘而壯觀的現象,人類對閃電的觀測和記錄由來已久。在《易經》中,公元前1078年發生了一次球狀閃電,這是世界上最早的閃電記錄。

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長期以來,人們對雷電這種自然現象感到恐懼。事實上,我們所說的閃電包括閃電和雷電。1749年,富蘭克林的風筝試驗證明閃電隻是大氣中的火花放電現象。閃電通常由積雨雲産生,并常伴有雷聲。

雷電是常見的自然現象。雖然它們很常見,但一些關于閃電的數字卻很有趣。

閃電有多快:并非3×108米/秒

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通常,閃電的發生和結束都是在人們毫無準備的時候。因此,閃電給我們的印象是迅速而猛烈的。

戰國時期的經典著作《六韬·龍韬·軍勢》對閃電速度的描述是:“疾雷不及掩耳,迅電不及瞑目。”,這句話也就是我們今天常說的“迅雷不及掩耳”的出處。話的來源。

從當代科學的角度來看,真正稱得上“快”的是閃電,而非雷。雷聲的本質是一種聲波,在空中傳播約340米/秒。閃電的速度遠不是這個數量級。

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關于閃電速度的具體數值,學者和專家還沒有得出更準确的結果。許多人認為閃電的速度就是光速,即3×108m/s,但許多人并不認同,并就此展開了激烈的争論。那麼閃電有多快?它和光速是一樣的嗎?

以雲地閃電為例,分析了閃電的發生過程。據高速攝像機顯示,一次完整的雲地閃電實際上是由幾個連續的放電過程組成的,這些放電過程遵循同一通道,像波浪一樣,一波又一波,兩波之間的時間間隔隻有幾分之一秒。每次放電一般包括先導和回擊兩個過程:先導過程主要為雷電放電建立一個電離通道,相當于“鋪路”;當引燃閃電離地面很近時,就像連接電線一樣,強電流以非常快的速度從地面流向雲層。這個過程稱為回程,大約需要70微秒。如果雲中有足夠的電,第二導聯返回放電開始。一個完整的雲地閃電過程持續約0.2秒。

根據以上分析,雷電是一種放電現象,遵循一定的物理規律。它的移動速度受許多因素的影響,例如空氣的導電性,它與光速本質上是不同的。

通過研究得出,閃電的速度為每秒1×105—1.4×106米,平均速度為4.4×105米/秒。

通過對幾次閃電的仔細科學觀測,有學者發現,閃電在不同階段的速度也不同。例如,閃電先導過程的平均速度為1.5×105m/s,約為光速的1/2000,而回擊的速度遠大于先導的速度,即光速的1/10~1/3。美國能源部的閃電速度是1.5×108米/秒,大約是光速的一半。

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雖然上述數據不一定準确,但可以肯定的是,閃電的速度遠低于光速,同時,遠高于雷電的速度。

很多人之所以認為閃電的速度就是光速,是因為閃電把光速傳遞到我們的眼睛裡,就把它當作閃電本身的移動速度。

雷聲有多大——120分貝

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一提到雷聲,人們可能會馬上想到“震耳欲聾”、“驚天動地”等字眼。人們經常用雷聲來形容強烈而響亮的聲音,如“雷鳴般的掌聲”和“歡聲雷動”。可以說雷聲是自然界中産生的最大的聲音之一。

那麼,雷聲有多大?‍‍

當閃電發生時,它會釋放大量的光和熱。沿途空氣被強烈加熱,水滴迅速蒸發,體積突然膨脹産生沖擊波,使空氣劇烈振動。這個時候發出的聲音叫做“雷聲”。雷聲可達120分貝。這是什麼概念?一分貝是人耳隻能聽到的聲音,40-60分貝屬于正常交談的聲音強度,當聲音達到70分貝時,我們認為它非常嘈雜,開始損害聽覺神經;而100-120分貝的聲音比火車呼嘯而過的聲音大。如果一個正常人在這樣高分貝的空間裡停留1分鐘或更長時間,你就會暫時失聰。因此,用“震耳欲聾”來形容雷聲并不過分。

雷電有多頻繁——14億次/年‍‍

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地球上閃電活動有多頻繁?這不僅是我們想知道的,也是閃電研究的重點内容之一。多年來,許多專家學者采用了不同的方法和手段對數據進行估計,但結果并不一緻。

在研究中,閃電的頻率不僅是用雷暴日數來衡量的,還可以用閃電的一些數據來表征,如閃電頻率(個數)、閃電密度等。早在1925年,就有專家通過分析雷暴日數據來估算全球閃電頻率,人們普遍認為,世界上任何時候都有1800次雷暴,每秒大約有100次閃電。

近幾十年來,雷電探測技術特别是衛星雷電探測技術的發展,為人們提供了以往地面觀測中難以涉及的地區的雷電觀測數據,從而對這一參數有一個更準确的估計:全球閃電頻率約為每秒40~50次,全年共發生雷電約14億次。在北半球,閃電最有可能發生在夏季,但在赤道地區,閃電在秋季和春季更為頻繁。因為北極和南極地區雷暴很少,所以那裡幾乎沒有閃電。

那麼,世界上最頻繁的閃電活動在哪裡?

根據這項研究,閃電最活躍的地區是非洲的剛果盆地。由于靠近赤道,地表熱量充足,空氣對流頻繁,常年有雷雨。

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有關學者得出結論,世界上閃電活動最頻繁的地區是非洲盧旺達,那裡的最大閃電密度為每平方公裡每年80次。然而,從2004年到2005年,剛果共和國東部的一個小山村基夫卡村打破了上述紀錄,成為世界上最頻繁的閃電點。該鎮距赤道僅300公裡,海拔975米。閃電的密度是前所未有的。一年中,每平方公裡有158次閃電。

閃電有多強:比太陽表面熱4倍

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閃電的放電過程非常短,一般為50-100微秒(1微秒等于1百萬分之一秒),可以說瞬間完成。脈沖電流平均值高達30000安培,最大電流可達300000安培。這種強電流産生的交變磁場的感應電壓可以達到1000-10億伏。當電荷中和後,釋放出大量的光和熱,并立即将周圍的空氣加熱到3萬攝氏度,是太陽表面溫度的5倍。

一次雷擊所産生的能量足以讓一輛普通汽車行駛290-1450公裡,這就可以提供一個家庭将近一年的用電總和。當然,雷電的電功率雖然很大,但由于放電時間短,雷電電流的電功率并不大。

然而,遺憾的是,正是因為閃電經常在瞬間發生,而且閃電的方向很難預測,所以現代技術無法收集和利用閃電的力量。

遭雷擊概率有多少——175萬分之一

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由于其強電流、高溫高溫、強電磁輻射和劇烈沖擊波等物理效應,閃電能在瞬間産生巨大的破壞。一旦人們被它擊中,就會有緻命的後果。

全世界每年有4000多人遭受雷擊,平均來說,被雷擊的概率并不高,大約是175萬分之一。但是,我們不應該忽視防雷。因為具體到不同的地區,人們被雷擊的概率因地而異。例如,北美洲等國目前的人均雷擊概率為60萬分之一。

據有關統計,城鄉遭遇雷電的概率存在明顯差異。農民長期在農田等開闊地帶工作。當閃電來臨時,它們缺乏臨時躲避場所,周圍地勢平坦。相對而言,人體的位置可能更高。農民對雷電的防護知識相對缺乏。城市職工在室内作業,城市建築物的防雷措施相對完善,遭遇雷擊的概率大大降低。

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此外,遭遇雷擊的概率也與性别有關。美國的一項研究表明,男性比女性更容易遭受雷擊。這項研究分析了1995年至2018年間北美等國閃電死亡的數據,發現648名死者中有82%是男性。2019年完成的另一項研究得出了類似的結論。為什麼男人比女人更容易受到閃電的傷害?美國氣象學家給出的答案是,當雷雨發生時,男性往往會在雨中做一些危險的事情,比如打高爾夫球、踢足球等,而女性則更願意呆在安全的地方避雨。

另外,某一地區居民雷擊的概率與當地的生活習慣、文化水平、建築結構等有一定的關系。

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