閃電和雷是怎樣產生

. 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。