為何會行雷閃電?(20)

什麼是雷暴？






當一道奪目的閃光突然劃破長空，接著傳來幾聲轟隆巨響，雷暴便發生了。在香港，雷暴常見於春、夏兩季。


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拍攝於粉嶺的閃電
(照片來源︰陳卓賢先生，香港天文台)





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雷暴是怎樣形成的？






雷暴的發展始於溫暖和潮濕的空氣上升。空氣上升的原因很多，例如地面受太陽照射加熱、在低壓槽附近、兩股不同的氣流匯聚或遇上高山而上升等。
當潮濕空氣上升時，空氣中的水分便會遇冷凝結而成為雲。隨著氣流繼續上升，雲層亦發展得越來越高，雲中的水珠也會不斷增長。達到高空時溫度會很低，冰粒也會在雲中形成。當雲頂達到十至二十公里時便形成積雨雲，而雷暴是由積雨雲產生的。


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積雨雲的發展

請按此處瀏覽積雨雲的發展圖片




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閃電和雷聲是如何產生的？






由於積雨雲內有急劇的氣流擾動，雲中的水珠和冰粒便會分裂而產生電荷。一般來說，積雨雲的上部帶有正電荷，中下部帶負電荷。當正負電荷之間的電壓到達某程度時，雲與雲之間或雲與地面之間就會出現放電的現象，發出強烈閃光，這就是我們平時見到的閃電。放電時會產生大量熱能，令周圍的空氣急劇膨脹，產生聲音而造成隆隆雷聲。


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積雨雲內的正負電荷分佈情況

狂風大雨有時會伴隨著雷暴出現。當積雨雲內的水珠不能被下面的空氣承托時，它們便會降落成雨，而下沉的急速氣流亦會造成狂風。




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如何估計雷暴的距離？






閃電和雷聲是差不多同時發生的，但光在空氣中傳播的速度比聲音快很多，因此人們總是先看到閃電然後才聽到雷聲。雷暴發生的距離大約可從閃電至雷聲的時間差異來估計。可以說，若看見閃電後三秒才聽到雷聲，則雷暴距離觀察者約有一公里。



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大氣層穩定度與雷暴有什麼關係？






簡單來說，一團空氣若較周圍的空氣暖時，該團空氣便會不斷上升。這情況稱為不穩定大氣。不穩定的大氣有利於積雨雲的發展及雷暴的形成。
若空氣團較周圍的空氣冷時，該團空氣便會下降。這情況稱為穩定大氣。空氣在穩定的大氣下並不會被抬升，所以不利於雷暴的發展。

雷電簡單的說就是在大氣中自然發生的強烈的放電現象。一般表現為划過天際的明亮的樹枝狀分叉的閃光（俗稱閃電）以及緊隨其後的巨大的爆炸般聲響（俗稱雷聲）。

在夏季的雷雨天氣雷電現象較為常見。它的發生與雲層中氣流的運動強度有關。有資料顯示，冬季下雪時也可能發生雷電現象，即雷雪，但是發生幾率相當小。

雷電起因一般被認為是雲層內的各種微粒因為碰撞摩擦而積累電荷，當電荷的量達到一定的水準時會因為局部電場強度達到或超過當時條件下空氣的電擊穿強度從而引起放電。等效於雲層間或者雲層與大地之間的電壓達到或超過某個特定的值。目前對於放電具體過程的認識還不甚明了，一般被認為和長間隙擊穿的現象類似。

雷電分為雲間閃和雲地閃兩種形式。前者占雷電的絕大多數，而後者則是對人類的生產和生活產生影響的主要形式。雷電的電流很大，其峰值一般能達到幾萬安培，但是其持續的時間很短，一般只有幾十微秒。所以雷電電流的能量不如想象的那麼巨大。不過雷電電流的功率很大，對建築物和其他設備尤其是電器設備的破壞十分巨大，所以需要安裝避雷針、避雷器等以在一定程度上保護這些建築和設備的安全。

閃電的起因：

1. 雷暴形成

在溫暖而潮濕的夏季日子裡，地表白天受熱，而地面吸收了熱量後又不停把熱量再輻射出去。正午後太陽輻射能開始減弱，而地面吸收的熱量卻達到了最大值。當地面輻射更多熱量時，氣塊就更易上升，若氣塊的溫度在它上升中仍能較上面的環境空氣溫度高，及不穩定就會出現。如果地表加熱空氣的條件維持，氣塊不斷上升形成上升氣流，此時若氣塊含有水氣的話，雷暴的積雲階段就開始了。

上升的氣塊構成了雷暴的基點?#38647;暴細胞。當氣塊繼續向上移動，氣柱引起了近地面氣壓的不平衡，這種不平衡把更多空氣吸收到系統中來加強雷暴細胞。

閃電和雷聲是雷暴的象徵。在夏季的傍晚，人們常聽到和看到這種遠處的雷暴景象。


2. 雲內閃電(in-cloud lightning)

在0℃層以上，即空氣溫度下降到冰點的高度以上，雲內的液態水變成冰晶和過冷卻水滴(達0℃卻來不及凝結就落下的水滴)。由於空氣的密度不同，造成了空氣對流，在這些水滴或冰晶摩擦碰撞的過程中產生電荷。如雲內出現兩個足夠強的相反電位，帶正電的區域就會向帶負電的區域放電，結果就產生了雲內閃電(in-cloud lightning)或雲間閃電(cloud-to-cloud lightnung)。風暴細胞內8成的放電過程屬於這種類型。


3. 雲對地閃電(cloud-to-ground lightning)

這是最廣為研究的類型，主要是因為它們對人們的生命財產有極大的威脅性。

在一次正常的閃電前，雲裡的電荷分布是這樣的：在底部是較少的正電荷，在中下是較多的負電荷，在上部是較多的正電荷。閃電由底部和中下部的放電開始。電子從上往下移動，這一放電由上向下呈階梯狀進行，每級階梯的長度約為50米。兩級階梯間約有50微秒的時間間隔。每下一級，就把雲裡的負電荷往下移動一級，這稱為階梯先導(stepped leader)，平均速率為1.5?05公尺/秒，約為光速的兩千分之一，半徑約在1到10公尺，將傳遞約五庫侖的電量至地面。當階梯先導很接近地面時，就像接通了一根導線，強大的電流以極快的速度由地面沿著階梯先導流至雲層，這一個過程稱為回擊，約需70微秒的時間，約為光速的三分之一至十分之一。典型的回擊電流強度約為一至兩萬安培。如果雲層帶有足夠的電量，又會開始第二次的階梯先導。

一個階梯先導加上一個回擊稱為?#19968;擊?a stroke)，三到四個?#19968;擊?#32068;合成一個閃光(flash)，而一個閃電又是由多個閃光所組成。

雷擊又分為負雷擊(negative stroke)及正雷擊(positive stroke)，也就是由雲層往地面傳下來的是正電荷。正雷擊的發生機率比負雷擊小，但攜帶的電量會比負雷擊大，曾測量到的最大值為300庫侖。正雷擊通常只有一擊，有第二擊的正雷擊相當少見(因為雲層內靠近地面的正電荷較少)。


4. 地對雲閃電

除了有雲層到地面的閃電之外，也有由地面到雲層的閃電。由地面到雲層的閃電，它們的階梯先導由地面延伸至雲端，可攜帶正電荷或負電荷，兩種電性的先導都曾被觀測到。然而這樣的閃電並不常見，它們通常都是由高的建築物頂端往雲層放電，而且特別的是，它們通常沒有回擊，並且只有一擊。除此之外，地面對雲層的閃電偶爾會與向下進行的正閃電連結。



閃電與雷聲：

一次閃電是由多次的放電組成的，每次的回擊的通路溫度可高達30000℃，比太陽表面的溫度6000℃更高許多倍，由於溫度這麼高，所以 通路附近的氣體就發生爆發性膨脹，造成強烈聲波，這就是雷聲。當階梯先導與回擊相遇時，就會產生非常亮的光。這一強電流高亮度的區域沿著閃電通路上行至雲端，但觀察者對這一迅速的過程卻察覺不出來，他只能看到一條均勻發亮的線。光線從閃電通路中心產生，其寬度可能不超過幾釐米。


＊為什麼有時候我們看到的閃電只是一閃而過，而聽到的雷聲卻是隆隆不絕，響好久才停呢？

這是因為天空裡的閃電，一般都是很長的，有的線行閃電長達二至三公里，甚至十公里。由於閃電的各部分跟我們的距離不同，所以雷聲傳到我們耳邊的時間就有先有後了。另外一方面，一次閃電往往包含數個回擊，那麼當第一次回擊時的雷聲還沒有斷絕，又傳來了第二次第三次的雷聲，先後的雷聲混在一起，就成了隆隆不斷的雷聲。

還有，當雷聲遇到地面，建築物，高山或天空的雲層時，都會發生反射，產生回聲。這些回聲傳到我們耳朵裡的時間也是不一致的，因此就形成了隆隆的雷聲。


＊ 一次閃電的光能持續多久？

在大雷雨的晚上，街道上一片漆黑，幾乎看不清一切事物。但是在閃電的一剎那，我們卻能夠在這極短促的時間裡，看到街道上奇怪的景緻：街道上原來正在活動著的東西，一下子都變成凝結了似的，行人士一隻腳踏著地，一隻腳臨空舉在那裡不動，行駛的車輛也像停在那裡一樣?

產生這種現象的原因，是因為閃電的持續時間非常短促，在這短暫的時間裡，物體位置的移動使人眼睛很難觀察出來，所以熙熙攘攘的街道，在閃電的光之下，似乎變得完全不動了。

那麼閃電的光能持續多久呢？

它的一閃的時間很難用普通方法測量出來，因為每一次閃光所持續的時間，常常比萬分之一秒還要短，最長的也不會超過千分之一秒(1微秒)，這速度是非常驚人的。

我們一般拍照時，照相機快門的速度是五十分之一秒，百分之一秒或一百五十分之一秒，拍正在運動的動作是一百五十分之一秒，二百五十分之一秒或五百分之一秒的快門，就是拍攝高速飛行的噴射機，用千分之一秒的快鏡也就可以了。所以，再這極短的時間裡，即使是迅速奔馳著的汽車，它的車輪上的每一個花紋也只移動幾萬分之一公分，這樣的運動，在人眼裡當然跟靜止的沒有分別了。


＊為什麼雷容易打中孤立高聳的物體？

由於雷雨雲的雲底有帶電，能使地面發生感應，並使地面產生與雲底的電性不同的電荷。這稱為「感應電荷」。

這種感應電荷在小範圍的地面上是同一性質的，例如都是正電，或者都是負電。同一種性質的電荷是互相排斥的。排斥的結果，就使得電荷在地面上重新分布，這種排斥力沿地面方向的分力，在彎曲得較厲害的地方要比平坦一些的地面來得小，所以，電荷就必定會移到地面彎曲得厲害的地方去。這樣一來，在彎曲得厲害的地面上，感應電荷就要多一些，密一些了。

高聳的物體，他本身也會成為地面的組成部分，由於他高聳在平地上，所以他就成為地面上最彎曲的一部分，因此當地面受到雷雨雲的感應而產生感應電荷時，在高聳的物體上，就會集中了較多的電荷。

由於高聳的物體所帶的感應電荷比地面多，對閃電的吸引能力大，所以能很容易的將閃電拉過來。

所以在大雷雨時，我們千萬不要躲在高聳的物體，如旗杆，高樹，塔尖，煙囪，電線桿下面躲避。因為那裡是閃電的通道。

由於高聳物體容易遭到雷擊，所以在高大的建築物上一般都安裝避雷針，使建築物免遭雷擊。避雷針是一個頂部高出建築物，下部與地面相接的金屬桿，它能夠吸引附近的閃電到自己身上來，將自己作為閃電的通道，使閃電通過自身而排到地面上去。這樣，原先要擊中建築物的閃電，中途拐了彎，通過避雷針，就不會損壞建築物了。


＊ 為什麼總是先看到閃電，後聽到雷聲？

這是因為光的傳播速度要比聲音的傳播速度快得多。光在空氣裡差不多每秒鐘能走三十萬公里，用這樣的速度，一秒鐘可以為繞地球的赤道跑七圈半。聲音在空氣中每秒約走三百五十公尺，差不多只有光速的九十萬分之一。光從閃電發生處傳到地面的時間，一般不過幾十萬分之一秒，可是聲音跑同樣的距離就需要較長時間。根據這個原理，我們可以利用從看見閃電到聽見雷聲相隔的時間，算出閃電距離我們大概多遠。


＊ 為什麼有閃電卻聽不到雷聲呢？

有時候，一道閃電劃破夜空，照亮雲際。但是，奇怪的是，之後卻聽不道雷聲。這又是為什麼呢？

這並非是因為閃電距離太遠，而是聲音傳導的方式有異的現象。

音速隨空氣溫度之變化而不同，由低溫處射入高溫處之音波，再靠近其界面時會產生折射。如果射角太大，音波會完全反射而不會折射。相反的，由高溫處射入低溫處時，音波會從界面折射遠去。

如果空氣中的溫度連續變化的話，音波的射線也隨之連續改變形成曲線。

晴天的中午，太陽直射，地面暖和，靠近地面的空氣溫度高，愈至高空溫度越低。所以，由地面音源來的音波遠升高空時斜斜前進。登上高崗，往往聽得見下方傳來的聲音，就是這個緣故。相反的，夜間由於地面較快冷下來，下層空氣之溫度變低，相同音源來的音波在靠近地面處斜斜前進。因此，音波沿地面聚集，而在夜間聲音聽得較遠。

在高空發生的雷鳴之所以聽不見，就像前述的與大氣中的溫度變化有關。平常，一到夜晚，地面經常是先冷下來。但氣象狀況有異時，高空的溫度下降，而地面卻留著白天的餘溫。此時，高空發生的雷鳴雖向地面前進，但路線卻逐漸向上方折射彎曲，至某處終於轉向上方而去。因此，在地面的人們就聽不到雷聲了。

雷電簡單的說就是在大氣中自然發生的強烈的放電現象。一般表現為划過天際的明亮的樹枝狀分叉的閃光（俗稱閃電）以及緊隨其後的巨大的爆炸般聲響（俗稱雷聲）。

在夏季的雷雨天氣雷電現象較為常見。它的發生與雲層中氣流的運動強度有關。有資料顯示，冬季下雪時也可能發生雷電現象，即雷雪，但是發生幾率相當小。

雷電起因一般被認為是雲層內的各種微粒因為碰撞摩擦而積累電荷，當電荷的量達到一定的水準時會因為局部電場強度達到或超過當時條件下空氣的電擊穿強度從而引起放電。等效於雲層間或者雲層與大地之間的電壓達到或超過某個特定的值。目前對於放電具體過程的認識還不甚明了，一般被認為和長間隙擊穿的現象類似。

雷電分為雲間閃和雲地閃兩種形式。前者占雷電的絕大多數，而後者則是對人類的生產和生活產生影響的主要形式。雷電的電流很大，其峰值一般能達到幾萬安培，但是其持續的時間很短，一般只有幾十微秒。所以雷電電流的能量不如想象的那麼巨大。不過雷電電流的功率很大，對建築物和其他設備尤其是電器設備的破壞十分巨大，所以需要安裝避雷針、避雷器等以在一定程度上保護這些建築和設備的安全。

我唔驚wo~ 其實好恐怖咩?