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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

旨在向全国广大群众,特别是具有中等文化程度的广大青年,普及科学技术知识,繁荣科普创作,启迪思想,...

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雷电之源

2017-12-15 14:45:00

  春雷响,万物长。春雷始鸣,世间万物开始复苏。每年春季,尤其是在惊蛰以后,明显增强的暖湿空气就会与负隅顽抗的冷空气激烈对峙,引发强烈的空气垂直对流运动,当潮湿的暖空气上升到一定高度时就会形成高大的积雨云,云中强烈的电场使正负电荷发生碰撞而放电,从而使万钧雷霆骤然发生。

  雷电是自然界中最惊心动魄的景象之一了。这种雄伟壮观而又有点令人生畏的现象,充分展示出大自然的强大力量!

  强大的力量

  据不完全统计,世界各地平均每小时会降下1800~2000场雷雨,每秒钟会发出100次闪电,每24小时内会有大约850万个闪电袭击地面。

  有声有色的雷电并非虚张声势,它确实蕴含着无穷的威力。1975年,一次强大的闪电袭击了津巴布韦乌姆塔利城附近的一座茅屋,21人瞬间丧生。在美国,平均每年死于雷电者多达125人,还有3万幢房屋和其他建筑物被摧毁。雷电还会劈断树木、引发火灾、干扰无线电通信等。此外,雷电通常还“夹带”着狂风、暴雨、冰雹而来,往往会对人类的生产生活造成极大的危害。

  正是因为雷电恐怖的威慑力,古人对这种现象往往充满着敬畏之心。在18世纪以前,人们对雷电还一无所知,认为这是大自然的惩罚,中国民间也流传着许多关于“雷公电母”的神话传说,甚至当时不少科学家都认为雷电是由毒气在空中爆炸引发的。

  科学的认知

  第一个揭开雷电秘密的是美国著名学者本杰明·富兰克林。富兰克林在研究静电时发现,空中闪电与实验室里的摩擦生电有很多相似之处。为了了解两者之间的具体关联,1752年夏天,富兰克林用木条和丝手帕制作了一个大风筝,他在风筝的顶端缠上一根细铁丝,把它与放风筝的麻绳连接起来,麻绳末端系着一段不导电的绸带以便抓握,而在麻绳与绸带之间则系有一把铁钥匙。

  当雷雨倾盆时,富兰克林带着小儿子奔向野外,顶着狂风暴雨把这奇异的风筝送上了高空云层中。不一会儿,麻绳便因淋湿变成了良导体。随着电光闪闪,雷声隆隆,风筝和绳索全都带电了,麻绳上原本杂乱的纤维奇妙地直立起来。富兰克林忽然觉得手有点发麻,当他兴奋地把手指挨近那把铁钥匙时,立刻就有电火花向他指尖袭来。这些现象与实验室中带电物体的性质完全相同。原来闪电不过是大气中的强烈放电现象!通过这个小小的实验,富兰克林把上帝和雷电区分开来,全世界都轰动了。

  此后,各国不少科学家也都进行了类似的实验。俄国著名科学家罗蒙诺索夫和他的朋友利赫曼教授,各自把长铁杆的一端装在室外,另一端引进自己的实验室内,制成了“测雷机”,多次观察到了打雷时发出的电火花。可惜的是,在1753年7月26日的一次雷雨中,一个拳头大小的球状闪电被导入了利赫曼的实验室里,落在了他的头上,教授不幸殒命。

  虽然人类在探索雷电之谜的道路上付出了沉痛代价,但终究揭开了雷电的神秘面纱。

  未解的秘密

  不知大家是否注意到,出现雷电时不一定会伴有雨,但是电闪雷鸣总是会与乌云结伴出现。人们通常把能制造雷电和雷雨的乌云叫做雷雨云。通过大量的研究探测,科学家已经证实:雷雨云在快速发展时,云体就会开始带有大量电荷,而且总是在云体上部集中正电荷,云体下部集中负电荷。由于电的感应作用,又会使雷雨云笼罩下的地面带有正电荷。

  如此一来,在云的上下部之间、云与云之间、云与地面之间,就会同时形成几个很强的电场。随着电场两边的电位差越来越大,正负电荷间就会发生击穿空气的放电现象,并激发空气发光,这就是闪电。每次闪电的电流都会高达几万甚至几十万安培,温度超过20000℃,比太阳的表面温度还高5倍。而在狭窄的闪电通道中,空气还会被突然剧烈加热,迅速膨胀,而后其体积又会陡然缩小,并由此发生振动,造成雷声隆隆。

  虽然科学家了解了雷电的产生机理,但为什么雷雨云会带电呢,为什么雷雨云中的电荷总是呈上正下负的分布呢?自从富兰克林揭示了雷电本质之后,无数科学家就为查明雷电之源绞尽脑汁,提出过不下几十种假说。这些假说大致可归纳为三类:第一类认为是雷雨云吸附空气中的带电离子而起电;第二类把原因归于云粒子受到外界电场的感应,因为大气即使在晴朗时也存在电场;第三类则认为带电云层是由于云粒子之间的相变、摩擦、破碎等机械作用或云粒子的化学变化而形成的。

  甚至还有一位植物学家也提出了自己的见解,他认为雷雨云中的电荷是由地面上的绿色植物产生的:树叶和青草会向大气分泌大量带有挥发性的有机物质,如芳香油等,在一定条件下,这些物质会分解出正离子,并在云表面形成电荷。为了证实这一假说,他还计算出了植物产生的挥发性物质里所含的能量,其结果恰好等于地球上雷电释放的能量。此外,他还提出了一些佐证:绝大多数雷电只发生在生长植物的地区,最强烈的雷电大多发生于热带雨林上空,而在沙漠或两极这些不毛之地,则几乎不发生雷电。在温带地区,随着大地一片新绿的春天来临,雷雨季节也会一起到来;而在叶落草枯的秋冬时节,雷电也就销声匿迹了。

  当然,大多数科学家并不接受这个观点,他们更相信云层带电是因为水蒸气微粒在上升或下降过程中和空气发生摩擦之故。2016年,中国科学家又提出了新观点——紫外线光解水带电效应。他们从光化学反应角度做出了解释,认为雷雨云带电,是由于高空中的云朵受到波长小于258纳米的紫外线照射,发生了光化学反应而伴随产生的一个物理现象。

  然而,至今也没有一个解释能够说服大家,目前十几种大相径庭的假说(如水滴破裂效应、吸电荷效应、水滴冻冰效应、温差起电效应等),都是从物理角度入手解释云是如何带电的,但也都没能完美地说清雷电的起源。也许,雷雨云带电并不是由一种效应导致的,而是由多种效应共同作用而成的。

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