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仲夏時節(jié)，每當(dāng)天空烏云翻滾,、狂風(fēng)呼嘯之際,，一場大雨即在眼前。這時,，就會有一道道閃光劃破云幕,，婉如條條金蛇飛竄,，緊接著就會傳來一聲聲震耳欲聾的霹靂,，這就是自然界中威力無比的雷電。
雷電是空中云層發(fā)生的大氣放電現(xiàn)象,。據(jù)統(tǒng)計,，地球上平均每秒鐘就有上百次電閃雷鳴發(fā)生，可見,，這是一種發(fā)生頻率很高的自然現(xiàn)象,。由于云層放電時，將產(chǎn)生劇烈高溫,、強(qiáng)電流及電磁輻射和沖擊波,，因而常常造成飛行事故，引發(fā)地面火災(zāi),，破壞通訊設(shè)施和輸電系統(tǒng),，給人們生活和社會活動帶來了許多災(zāi)害,。
在遙遠(yuǎn)的古代，由于人們對自然界缺乏認(rèn)識,，看到雷電引起的森林火災(zāi)和雷擊事件,，往往十分恐懼，以為這是上天的力量,，因而編撰了許多神話傳說,。在中國古代民間，把雷電視為天神,，流傳著的“雷公”“電母”懲罰惡人的故事,。在古希臘神話中，雷電被譽(yù)為萬神之王宙斯手中震懾群神和人類的武器,。只是到了近代,，人們才從科學(xué)的角度對雷電現(xiàn)象有所認(rèn)識。1752年７月,，美國科學(xué)家富蘭克林做了一次震驚世界的試驗(yàn),，利用風(fēng)箏捕捉雷電，成功地把雷電從天空中引導(dǎo)下來,，從而揭開了雷電現(xiàn)象電本質(zhì)的秘密,。
現(xiàn)在人們已經(jīng)弄清楚了，雷電形成于一種叫積雨云的云層中,，這種云是炎熱季節(jié)里暖空氣和冷空氣發(fā)生強(qiáng)烈對流的產(chǎn)物,，具有云體高大、云冠高聳之特點(diǎn),。當(dāng)積雨云云層界面所積累的電荷形成的電位差達(dá)到1萬伏特時,，大氣就會發(fā)生電離而被擊穿，產(chǎn)生放電現(xiàn)象,。由于在十萬分之幾秒的極短時間里,，1萬至10萬安培的峰值電流在直徑僅幾厘米的閃電通道內(nèi)通過，所以閃電通道會迅速增溫至幾萬度,，并產(chǎn)生爆炸式膨脹,。閃電通道在以30～50個大氣壓向外膨脹過程中，形成了沖擊波,，以5公里/秒的高速度向四周擴(kuò)散,，然后逐漸衰減為聲波，這就是我們所聽到的隆隆雷聲,。此時,，熾熱的高溫使閃電通道內(nèi)的空氣完全電離，發(fā)出耀眼的光亮,，這就是我們看到的電閃,。因?yàn)楣馑倏煊诼曀?，所以發(fā)生雷電時，總是先看到電閃,，后聽到雷聲,。
但是，時至今日仍使科學(xué)家們迷惑不解的是,，為什么翻騰不息呈電中性的云朵,，會突然間變成高壓放電器？是什么力量使云層極化出如此大量的異性電荷呢,？
關(guān)于雷電的成因,，學(xué)術(shù)界流行著幾種假說。一種假說認(rèn)為,，雷電形成于“溫差起電效應(yīng)”,。一般說來，積雨云內(nèi)的氣溫可從10℃降到零下30℃～40℃,，因而云體內(nèi)存在著水汽,、水滴、冰晶,，以及過冷水滴和雪花,、冰晶的混合物——霰。當(dāng)積雨中的冰晶和霰粒發(fā)生碰撞摩擦?xí)r,，會使霰粒表面局部溫度上升,，與冰晶形成溫度差。在溫差起電效應(yīng)的作用下,，冰晶和霰粒分別帶上了正電荷和負(fù)電荷,。隨著云中的空氣對流，逐漸形成正負(fù)電荷的明顯分區(qū),，于是產(chǎn)生了電位差,。當(dāng)電位差達(dá)到一定程度時，就會發(fā)生大氣放電現(xiàn)象,。
這一假說雖然解釋了積雨云中正負(fù)電荷的產(chǎn)生機(jī)制,，但是并沒有闡明電荷的極化過程,，難道說僅僅依靠空氣的對流就能使正負(fù)電荷發(fā)生分離嗎,？理由顯然是不充足的。
還有一種假說認(rèn)為,，降雨也許是驅(qū)使正負(fù)電荷分開的原因,。其觀點(diǎn)是，以大雨滴或冰珠形式傾瀉而下的雨水?dāng)y帶著負(fù)電荷,，這樣,，像小塵粒和冰晶帶有正電荷的微粒就會在云層上端積聚起來,，結(jié)果產(chǎn)生了足以引起閃電的電場。
為了驗(yàn)證這一假說,，美國一些科學(xué)家利用雷達(dá)來測試閃電之后降雨速度的變化情況,。按道理說，假如雨滴是逆電場力而降落,，速度必然受阻,，閃電之后，電場強(qiáng)度減弱,，降雨速度就應(yīng)自然加快,。然而，試驗(yàn)的結(jié)果是,，閃電前后降雨的速度并沒有什么變化,。這就意味著，降雨不是驅(qū)使正負(fù)電荷分開的原因,。
那么,，雷電到底是怎樣形成的呢？在此,，本文提出一種觀點(diǎn),，認(rèn)為云層中的電場是通過電磁感應(yīng)效應(yīng)形成的。
根據(jù)電磁感應(yīng)理論,，在磁場中做切割磁力線運(yùn)動的導(dǎo)體,，將在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生感生電動勢。我們知道,，地球本身就是一個天然大磁體,，地磁場的S極在地理北極附近，N極在地理南極附近,。如果把含有大量離子和帶電粒子的積雨云視為導(dǎo)體,，那么當(dāng)它東西方向飄移時，所做的就是切割地磁場磁力線的運(yùn)動,，因而將在云層上下兩端極化出異性電荷,。
根據(jù)感生電動勢公式：E = BLV sinθ，云層上下兩端所形成的電場強(qiáng)度與云冠高度和云朵的運(yùn)動速度成正比,。一般情況下,，云層高度在不小于3000～4000米時方能發(fā)生雷電，這相當(dāng)于切割磁力線導(dǎo)體的長度,。而積雨云的云冠高度往往在8000～12000米之間,，所以雷電更多地發(fā)生在積雨云中。經(jīng)驗(yàn)告訴我們,，在雷雨天氣里,，必伴有很強(qiáng)的風(fēng)勢,，而風(fēng)力的大小直接決定了云朵的運(yùn)動速度，風(fēng)勢越大,，雷電的放電強(qiáng)度就越高,。云朵的運(yùn)動方向與南北磁力線的夾角，也是決定雷電強(qiáng)度的一個重要因素,。當(dāng)夾角為零時,，亦即云朵南北方向運(yùn)動時，sinθ= 0,，意味著在云層中不會極化出異性電荷,。當(dāng)夾角為90°時，亦即云朵由東向西運(yùn)動時,，sinθ= 1,，根據(jù)右手定則判斷，云層上端集結(jié)的是正電荷,，下端集結(jié)的是負(fù)電荷,，屆時將發(fā)生最為激烈的大氣放電現(xiàn)象。根據(jù)云層電荷的極化過程可知,，雷電之能來源于風(fēng)能,。
略作計算表明，若云冠高度為10000米,，云朵運(yùn)動速度為50米/秒,，θ=90°，地磁場強(qiáng)度B=5×10-5特斯拉,，那么,，在云層上下兩端每秒鐘集結(jié)的電荷就可以產(chǎn)生25伏特的電位差，400秒內(nèi)所產(chǎn)生的感生電位差就可以達(dá)到1萬伏特,。如果考慮其他因素的影響,，通常情況下，積雨云只需10～20分鐘的時間,，即可完成大氣放電所需要的電荷積累,，這一點(diǎn)與我們的日常經(jīng)驗(yàn)相符。
雷電,，按云層的放電部位可將其分為以下四類：云內(nèi)閃電,、云際閃電、聯(lián)珠狀閃電和云地閃電,。
以一塊云層的上下兩端為基點(diǎn),，在一塊云體內(nèi)部發(fā)生的大氣放電現(xiàn)象，稱為云內(nèi)閃電,。這種閃電發(fā)生時,，看上去呈帶狀閃光，它是由連續(xù)幾次放電過程所組成,。
雷電若是發(fā)生在上下兩塊云層之間,，則被稱為云際閃電，這種閃電發(fā)生的前提條件是兩塊云朵的運(yùn)動方向相同,。在電磁感應(yīng)效應(yīng)作用下,，處在上方的云朵的底端界面，與處在下方的云朵的頂端界面,，兩個部位所集結(jié)的電荷性質(zhì)正好相反,。當(dāng)云層間距適當(dāng)時，就會發(fā)生大氣放電現(xiàn)象,。這種閃電發(fā)出的光透過云層,，就像樹干伸出許多樹枝一樣，在空中快速曲折地行進(jìn),，它是自然界中最常見的一種閃電,。
云際間還發(fā)生一種閃電，發(fā)生這種閃電的云朵不同之處在于,，兩塊云朵雖處在同一高度,，但運(yùn)動方向卻是相對的，基本是一塊云朵由東向西運(yùn)動,，而另一塊云朵則是由西向東運(yùn)動,。根據(jù)電磁感應(yīng)的右手定則判斷，在兩塊云朵的同一界面,，將分別極化出兩種性質(zhì)不同的電荷,。即由東向西運(yùn)動的云朵，頂端界面集結(jié)的是正電荷,，底端界面集結(jié)的是負(fù)電荷,；而由西向東運(yùn)動的云朵，頂端界面集結(jié)的則是負(fù)電荷,，底端界面集結(jié)的是正電荷,。當(dāng)這兩塊積雨云在空中平行相遇時，同一界面間的異性電荷就會相互吸引,，在云際邊緣發(fā)生多點(diǎn)大氣發(fā)電現(xiàn)象,，這就是所謂的聯(lián)珠狀閃電。曾有人看到過這種閃電,，一連串球狀閃光就像一長串佛珠,，掛在以云幕為背景的天際，景象甚為壯觀。由于形成這種閃電條件特殊,，需要兩股對流的空氣以相反的風(fēng)向推動云朵運(yùn)動,，所以聯(lián)珠狀閃電在自然界中極為罕見。
在諸類閃電中,，對人們生活影響最多,、危害最大的就是云地閃電，它是云層對大地的一種放電現(xiàn)象,。富蘭克林利用風(fēng)箏捕捉雷電的試驗(yàn),，就屬于這種放電形式。在長期的社會實(shí)踐中,，人們?yōu)榱祟A(yù)防這種類型閃電的雷擊,，對高空建筑物采取了一系列保護(hù)措施，發(fā)明了避雷針等避雷設(shè)施,。但云地閃電發(fā)生時產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁脈沖,，仍時常使通電、通訊系統(tǒng)遭到破壞,。
雷電,，自然界中這一最為壯觀的大氣放電現(xiàn)象，曾給人類文明播下了火種,，相信在不遠(yuǎn)的將來,，雷電所蘊(yùn)藏的巨大能量，一定會為人類所利用,，為社會造福,。