f1040609 Sakura love 沐月樱 的部落格

＊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—雷暴細胞。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1.5×10⁵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”一擊”(a stroke)，三到四個”一擊”組合成一個閃光(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。

＊   閃電為什麼能劈開樹木？

閃電內部的溫度可高達3×10⁴℃。閃電劈中樹木時，因樹木中含有水分，強電流立即把水分化為高溫高壓的蒸氣，蒸氣的強大爆發力就能把樹木劈開。

＊   雷雨後為什麼空氣格外新鮮？

夏天的傍晚，有時烏雲，大雨，閃電，雷鳴往往相互交錯，一起降臨。雨後，我們會感到空氣格外新鮮，這是什麼原因呢？原來在閃電時，發生了一場化學變化，空氣中的氧氣有些變成了臭氧。其次是經過了一場傾盆大雨，把空氣中大部分的灰塵給沖掉了。

雷聲是雲中，或雲對地，或地對雲之間正負電荷間的放電作用時所產生的聲音。放電時的電位差，往往達到每公尺幾千到幾萬伏特，所以常常產生巨大的電火花，把空氣中的氧氣激發成臭氧。濃的臭氧是淡藍色的，味道很臭，具有很強的氧化能力，還能夠漂白與殺菌。稀薄的臭氧可一點也不臭。反而會給人清新的感覺。雷雨後，空氣中就瀰漫著少量的臭氧，能夠淨化空氣，使空氣清新。

＊   閃電可以為人們服務嗎？

提起閃電，人們大概立刻就會聯想到那炫目的閃光和震耳的雷聲。的確，許多年來，由於閃電對人畜和建築物的危害，人們總是千方百計的善避雷設備，力求避免和閃電接觸。

其實閃電對農業生產和人類的日常生活關係可大著呢！隨著科學的發展，今天，利用閃電為人類服務的問題，已經被重視和研究。也許，再過不了多少年，我們也將如同廣泛使用避雷針一樣，可以設法用某種特殊設備，把天空的閃電，盡可能的多導引到地面上來應用呢！

閃電在發出閃光的瞬間，它的電力竟然比世界上最大，美國核子水力發電廠還要大上一百倍左右。如果利用這個電力來起重的話，足夠把六七萬公斤重的貨物，舉起一兩公尺這麼高。

不但這樣，閃電還是一個不用人工的天然氮肥製造廠。根據計算，每打一次雷，大約總有一噸到兩噸的氮化合物會隨著雨滴落到地面。這當然會有效的增加土壤的肥沃度。這樣的量，幾乎相等於一個小型化工廠一天的產量。

除了這些以外，閃電還會使天空中有「臭氧」出現。這種氣體具有大量吸收紫外線的功能，使人們不致因為陽光中過量的紫外線的照射而影響健康。

＊   球形閃電

物理學上最有爭議的一個問題是，球形閃電是否存在。很多人看到過球形閃電(約占總人口的5﹪)，並發表了不少有關它的報告。但是人們總是把它看成是傳說中的東西，或者是非常明亮的閃電的視覺現象。據說球形閃電會像一個光球，安靜的懸浮在空氣中，或者在房間裡到處跳動好幾秒。它們不論什麼類型的房間都進入過，甚至進入過飛機的座艙，也會出現在曠野。它們出現時大多是無聲無息的，但它們消失時卻會有爆炸聲。它們能置人於死地，據說有的科學家在作雷電試驗時被球形閃電擊斃。世間真有情形閃電存在嗎？它是否是一種幻覺？

球形閃電的成因現在仍在研究中，目前最可信的解釋是：球形閃電是一個等離子球，它的能量是從外部電磁場取得的。雷電或這電荷會使空氣，水蒸氣或其他氣體電離。這些電離了的氣體能保持一團，因為它從總體來說是中性的。它能吸收自然界中無線電波的能量，這些無線電波是雷爆時在地面上或雲層裡產生的。在球的周圍會形成駐波，球就能從它吸收能量。這種外部能源的存在是頗為可信的，否則球形閃電在長時間內保持一定的高度就很難解釋了。內部能源連維持這種亮度幾秒鐘，是很不可思議的。

＊   地震時的閃電

地震能引起閃電嗎？有人認為晴空閃電是地震的先兆。這兩種自然現象有什麼聯繫？

地震時會產生閃電的原因還不清楚。最近有人認為，這一現象與壓電場有關，這一壓電場是地震波通過地表時所產生的(在壓力作用下，有些材料會產生一個電場)。也許這些電場足夠大，引起大氣對地表放電。然而這種解釋還缺少細節的說明和證明。

＊   飛機遭雷擊？

飛機在雲層與雲層之間，或起飛著陸時，都有可能遭到雷擊。發生雷擊的高度以五公里以下為最多。經統計噴射機平均每飛一萬小時，就會遭遇一次雷擊。

當分機遭遇雷擊時，電流可能從雷雲打到飛機頭部，縱向流過機身外殼，最後從機尾凌空打到地上。也可能從其中一機翼打過另外一機翼，橫向流過機身。

一般以金屬類之導體圍住的物體，其內部不受外部電場之影響，而閃電的電流頻率極高，流至金屬時，不會進入當中，僅在金屬的表面流過。一般頻率高的電流只會流過金屬的表面，這種特性稱為「表面效應」(skin effect)，故閃電只沿著飛機外殼流過，而不會進入機內對乘客造成傷害。但強電流所形成的磁場，對機上的電子或電氣系統會有影響。

為了減少飛機被雷擊的機會及危害，可採用許多從機身或機翼伸出的避雷針以放電。又採用良導體把機殼不良導體部分，加以連接或遮蓋，以疏導電流。

＊   汽車遭雷擊？

金屬是店的良導體，而汽車整體之大部分都是金屬作成的。同時，有些金屬是落在外面的，這麼一來，雷落在汽車上並非不可思議了。但是卻未發生過乘客因而死亡的事情。

這是為什麼呢？事實上，雷並非不會落在汽車上，如果條件充分的話，雷也會落在車上的。汽車在街上行駛的話，因周圍的建築物很高，雷會落在高的建築物，但是在周圍沒有高建築物的原野或山上，汽車就很有可能遭雷擊。

那麼，遭雷擊時，裡面的乘客安全嗎？高壓且大量的電流打下來，不會使人觸電死亡嗎？

置於電場中的導體有如下之性質：

「以金屬版或鐵絲網等導體圍成的容器置於電場內，容器之內部空間無電場。」

這種現象就叫做電屏(electric screening)。

依據導體這種性質，被金屬板包圍的汽車內部空間裡，當雷擊中時，並不形成電場。

因而，汽車即使遭到雷擊，內部的電場為零，電流不流到內部而通過導體之表面傳到地上去。而且，車體全體是相同電位，即使雷電達一百萬伏特之高電位，車內的人仍是安全的。

＊   打雷和暴雨

以許你會注意到，在打雷以後雨會下得特別大。暴雨與雷電有什麼關係？或只是一種巧合？

有時候，水滴部分的被電場力保持在雲朵裡。打雷以後，這些電場消失了，這樣就增加了下降的雨滴數量。如果電場重新加強，雨又會減小。

＊   遭雷擊而不死

有許多人直接或間接被雷擊而不死。甚至有的人被雷擊，停止呼吸20分鐘後仍能完全恢復，他的大腦也沒有因為雷擊或缺氧而受到不可逆轉的損害。有人猜想，這種休克能暫時減少腦部所需的氧氣。當然，這些受雷擊的人沒有嚴重的燒傷，心臟也沒有停止跳動。為什麼會出現這種現象？

當電流通過人體時，人會因內臟受傷而死亡，但當人體潮濕時，電流可能不穿透他的身體，大部分只經過他潮濕的皮膚流向地面。這時呼吸和心跳可能中斷。經過即時的人工呼吸搶救，人就能很快活過來。很多情況下，受難者不是被雷直接擊中的，而是被雷電的一個分枝所擊中或是被地上的電流所傷害。

當電流通過人體，所引起的後果大致如下：

1.1 ~ 3.5毫安：對電流有感覺，但無明顯致病現象。

3.6 ~ 4.5毫安：不習慣的人有疼痛感覺。

6  ~  7毫安：手臂有疼痛感，手臂肌肉輕微痙攣。

8        ~ 10 毫安：明顯疼痛感，手臂肌肉痙攣性收縮，手難以擺脫電源。

11 ~ 12 毫安： 劇烈疼痛，手臂痙攣收縮，與電流接觸的耐受時間不超過三十秒。

13 ~ 17 毫安：劇烈疼痛，不能自己鬆開手，不能拋開電極。

20 ~ 30 毫安：動脈血壓升高，手不能擺脫電源，有時致死。

50 ~ 70 毫安：呼吸麻痺，心室纖顫。

90 ~ 100毫安：呼吸麻痺，心室纖顫後心室停搏。

心室纖顫會使血液循環停止，從而造成死亡。如果只受了一下短促的電擊則還有救活的可能。流過觸電者身上的電流強度主要是由皮膚的電阻決定，皮膚的乾濕，人體的功能狀態(如疲勞，受熱，著涼，創傷等)，電流通路(流過心臟或腦最危險)都對電阻值有影響。濕皮膚的電阻約為1000歐姆，乾皮膚的電阻約為500千歐姆。體內的組織和器官其電阻要小得多，約為100至500歐姆之間。觸及的電壓低，人體電阻值較大；電壓高，則電阻值明顯下降。

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後　　　記

這篇物理報告的靈感是來自翻閱期刊時偶然看到的一篇論文，不過這篇論文比較偏理論一點，所以當初看的時候半懂半不懂。後來又找到了幾本有談到閃電的物理書籍，但是裡面又講得太淺了，許多東西都簡化掉了，所以我從期刊論文裡面取了一些內容出來，經過簡化之後，才成為真正解釋一些問題的答案。

一直覺得閃電是很美麗，卻又危險的東西。也曾在Discovery看過以閃電為主題的節目，裡面有介紹專職的”閃電攝影師”，他們能使用探測電場的儀器來觀察哪裡有雷雲，然後就冒著生命危險去拍攝，其實待在車內是最安全的，但是他們要到車外拿攝影機拍攝閃電，不過雷雲移動的速度其實很快，所以他們常常要拍了就馬上跑。也有介紹效法富蘭克林，以小火箭將雷電導引到地面上來作研究的人，美國有時候不需要雷雲，也不一定會下雨，還是可以誘發閃電產生。

還有模擬閃電打到汽車時的實驗，他們用幾百萬伏特的電壓擊到一台車上，車內放置假人，假人身上裝有探測電流的儀器。幾百萬伏特的電是相當驚人的！不僅發出耀眼的光芒，還有巨大的音爆聲，但是實驗證明，電流無論如何都不會流經人體，所以打雷時，待在車子裡面是很安全的！

閃電的能量相當高，如果能拿來利用，想必又是一項天然的能源。但是事實上，閃電的發生相當難以預測及控制，現在連作實驗研究，都得等待閃電出現的機會，所以雖然早從18世紀富蘭克林導引閃電成功以來，即使花了許多時間研究，仍然沒有有效利用閃電的方法，的確是相當可惜的。

關於參考書籍

因為一些書是在學校圖書館找到的，為了不影響別人借閱，所以我只影印了有關閃電的部分下來，但是影印了一疊，裡面也不是全部都有引用，我也忘了記書名。我也從我家書櫃裡找到了幾本書，分別是《科學博物館—電》/英文漢聲出版社。《十萬個為什麼—物理篇》，《十萬個為什麼—氣象篇》/博智文化。