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闪电有多快?人类为啥不能用闪电里的电?
来源:中国科学院工程热物理研究所 | 2024/8/27 21:37:24 | 浏览:333 | 评论:0

如今,我们的生活无时无刻都离不开电。你可能知道我们日常所用的电能大部分来源于发电厂,但你知道吗?我们头顶的蓝天也存储着巨量的电能,电闪雷鸣之际,我们总能感受到这股能量所带来的震撼。

闪电有多快?人类为啥不能用闪电里的电?

自古以来,人们便对雷电充满敬畏。在世界各地的神话中,都存在执掌雷电的神明形象,例如中国古代神话里,雷公和电母掌管着天地间的雷电之力,以惩罚罪恶之人。


天上的闪电和家用的电一样吗?


1752年,富兰克林做了著名的风筝实验,破解了闪电的秘密。富兰克林制作了一只特殊的风筝,风筝上固定了一段金属丝,一条长长的绳子与金属丝相连,作为风筝线,绳子下端还挂了一把钥匙。在一个雷雨交加的日子,富兰克林和他儿子将这只风筝放上了空中。


此时一道闪电划过,风筝线上的纤维丝一瞬间竖立起来,富兰克林高兴极了,他小心用手触碰了钥匙,噼里啪啦的电火花立刻在他的手指和钥匙之间跳动起来。


随后,他又将风筝线上的电引入莱顿瓶中,赶忙回家进行了各种电学研究,最终揭示了天上的闪电和家用的电其实是一样的,雷电只不过是强度特别大的电火花放电而已。


闪电有多快?人类为啥不能用闪电里的电?

富兰克林正在进行著名的风筝实验


随后,科学家们发现地球自身携带着大量的负电荷,而从地面到约50km高度的电离层中分布着等量的正电荷,从而形成了垂直向下的大气电场。


在晴朗开阔的旷野上,从地面垂直向上,每升高1米,电势将增加约130伏,也就是说大气电场的场强大小约为130V/m。这样看来,一个站在室外的成年人,从头顶到脚底之间竟然有着接近200伏的电压!


为什么平时走在路上没有感到触电呢?


首先,人会触电的原因是有超过人体感知的电流经过人体,人体是一个导体,假如意外触碰到了220伏的家用电,就会被当作一个电路元件接入回路,造成触电事故。

闪电有多快?人类为啥不能用闪电里的电?


在晴天的大气电场中,空气的导电性能很差,人体始终处于静电平衡状态,也就是从头顶到脚底的电压实际上接近于零,身体内几乎没有电流通过,因此就感觉不到触电了。


但是,如果不幸被雷电所击中,瞬间的大量电流通过人体,就会造成极大的伤害。


科学家们还发现,地面与电离层之间有约1800A的地空电流,源源不断地将正电荷输送到地球,理论上约5分钟后就会将电离层的电能消耗完毕,而大气电场也会消失。


但实际上,晴天大气电场的值是相当稳定的,这就意味着有特定的“电源”在给电离层充电。这个特定的“电源”到底是什么?闪电其实就是给电离层充电的电源。全球平均每秒产生约100次闪电,雷电流把负电荷从上而下带给地球,从而达到了地球与电离层之间充放电的动态平衡。


闪电有多快?人类为啥不能用闪电里的电?

传统的全球大气电路模型


我们能利用闪电吗?


既然闪电和日常的电是一回事,每秒全球都有百余次闪电发生,如此多的闪电,如果能收集起来并将其转化为电力,为人所用,那该有多好!


闪电的分类


以闪电发生的位置划分,通常分为云闪和地闪两类。击中地面的闪电称为地闪,约占全部闪电的1/3,而发生在云中的闪电,也就是没有击中地面的闪电称为云闪,约占全部闪电的2/3。


对于地闪,如果按照中和电荷的极性划分,将云中的负电荷转输送地面的闪电称为负电荷,其电流方向向上,约占全部闪电的90%,而将云中的正电荷输送到地面的闪电称为正地闪,其电流方向向下,仅约占全部地闪的10%


按照闪电的始发位置的划分,从地面始发向上发展的称为上行闪电,上行地闪一般较少见,而从云中向下发展的称为下行闪电。因此,地闪总共可以分为下行负地闪、下行正地闪、上行正地闪、上行负地闪四种,而最常见的为下行负地闪。

闪电有多快?人类为啥不能用闪电里的电?

四种类型的地闪


闪电是如何形成的?


闪电一般产生于对流发展旺盛的积雨云中,积雨云中的霰粒和冰晶等粒子发生碰撞,使云中不断分离出正、负电荷,积累到一定程度时,就会击穿空气,闪电过程由此开始。


闪电有多快?人类为啥不能用闪电里的电?

此时,同一击穿点会派出两支“先遣部队”沿相反的方向同时延展通道,一支“先遣部队”带正电荷朝着云内负电荷区前进,另一支“先遣部队”带负电荷朝着云内的正电荷区前进,直到打通整个闪电通道。


每支“先遣部队”我们称为“先导”,而这种两支“先遣部队”携带相反电荷、同时延展则称为“双向先导”。


以下行负地闪为例,一小团负电荷作为“先遣部队”在电场的指引下,沿着电阻最小路径从云中向地面进发,肩负着打通云地闪电通道的使命。在其经过的路径上,空气被电离,形成电离通道,导电能力也大大增强。


不过,这支“先遣部队”也会疲倦,每走1微秒大概几十米的距离便会停下约50微秒进行能量补给,之后继续前进探路。这一过程就像下台阶一样,所以“先遣部队”称为梯级先导。有时“先遣部队”也会兵分多路,这就形成了闪电的分支形状。


当“先遣部队”到达地面以上几十米至上百米距离时,会有一个或多个“接应部队”从地面出发向来迎接,称为连接先导。当“先遣部队”与“接应部队”胜利会师之时,云地之间的闪电通道彻底被打通,地面向着这条刚刚被打通的通道猛烈的释放大量的正电荷,这个过程叫做回击。


回击峰值电流强度高达数万安培,回击能量的迅速释放将加热原先的先导通道,温度在瞬间达到30000K,由此产生的高温高压使通道迅速扩张,并产生冲击波,就形成了雷声。


一次先导和回击的过程构成闪电的一次脉冲放电。一般闪电是由多次脉冲放电构成。在第一次脉冲放电之后,经过短暂休息,又会发生第二次放电过程。第二个放电过程也是从先导开始,到回击结束。


由于经第一次放电过程后,闪电通道已经建立通畅,所以第二次的先导就不再逐级向下探路,而是从云中直接到达地面。这种先导叫做箭式先导或直窜先导。而由直窜先导引导的回击称为继后回击。


闪电有多快?人类为啥不能用闪电里的电?

负地闪发展示意图


闪电的威力来自它巨大的电流,峰值电流强度可达几万安培,但是持续时间极短,仅有数十微秒。


据估算,从一道闪电中大约可获取约200-300度电,能够供一个普通家庭使用一个月。而每年全球发生14亿次闪电,而云闪自然是无法收集的,理论上可以收集的4亿次地闪所能提供的总电能在1000亿度左右。据统计,2023年全球发电总量在30万亿度,闪电所能提供的电能仅能供全球使用9天,这么看,闪电的电能也只是九牛一毛。


此外,我们还无法准确预测雷击位置,因此难以做到捕捉自然闪电,而且将闪电的数百万伏高压电降压至220伏并入电网也是一项极为艰巨的任务,以现在的技术也无法实现。所以,想要捕获闪电提供电能服务人类,也只是天方夜谭。


闪电的益处


虽然目前我们无法捕获闪电,不过闪电在自然界中有非常大的作用。雷电发生时,空气中氮气和氧气被完全电离、化合形成氮氧化物,并溶解在雨水中降落至地面,成为天然氮肥。雷电制造的高浓度负氧离子,可以起到消毒杀菌、净化空气的作用,让人感觉心旷神怡。此外,雷电还能促进生物生长。


至今,雷电仍有许多未解之谜等待我们去探索,而科学家们对雷电的研究也从未停止。

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