紅光閃電枉矢行

周家斌

元朝詩人方夔有一首題為《立冬前后大雷電》的詩，其前半部是：

云如車炮低壓城，紅光閃電枉矢行。老龍偷出牛蹄泓，霹靂數聲驚窈冥。雨下如注翻四溟，黑風吹落魚鮪腥。

2007年，中國氣象局發布文章，介紹我國雷災概況及特點。文章說，我國地處溫帶和亞熱帶地區，雷暴活動十分頻繁，全國有21個省會城市的年最多雷暴日均在50天以上，其中最多的達到了134天。從近30年的雷電資料看，我國雷暴日天數變化不大，但是雷電災害造成的經濟損失和人員傷亡事故日益嚴重，具有發生頻次多、范圍廣、危害嚴重、社會影響大的特點。目前，雷電災害已成為危害程度僅次于暴雨洪澇、地質災害的第三大自然災害。

為了保障人身安全，我們需要對雷電多一些了解。

雷電災害損失大

一次雷電的電流平均約為2萬安培甚至更大，電壓大約是1億～10億伏特(人體安全電壓為36伏)，一次雷電歷時大約為千分之一秒，平均發出的功率達200億千瓦(一般電飯鍋的功率低于1000瓦)。我國建造的世界上最大的水力發電站——三峽水電站的裝機總容量為1820萬千瓦，只有一次雷電功率的千分之一。

在全球范圍內，每年發生在大氣中的雷電達31億次，平均每秒鐘約為100次。除了部分雷電打在無人、無建筑物的曠野和海洋上外，還有一部分雷電會對人和生物造成傷害，對各種建筑物、系統、部件、元件造成破壞。據統計，我國每年因雷擊造成的直接經濟損失近10億元。

1992年6月22日20時4分，國家氣象中心計算機網因雷擊中斷，國際通訊用調制解調器被擊壞，一些終端及數據端口損壞，導致部分工作中斷46小時左右。

1993年4月21日及1997年8月6日，上海奧林匹克俱樂部兩次遭雷擊，均導致計算機網絡停止工作，程控電話自動記費系統傳輸中斷，其中一次中斷了20多小時。

需要說明的是，電器設備受損時不一定有明顯的外貌破損，但雷電可瞬間擊毀對電磁十分敏感的微電子元件，其間接損失涉及面廣，往往超過直接損失幾倍甚至幾十倍。

1969年，美國登月的Apollo－11發射不到一分鐘，即遭雷擊兩次，導致自動駕駛系統失靈，一些傳感器停止工作。由于航天員果斷迅速的手動操作才挽救了這次發射。雷電還可以引起森林火災，對飛機的飛行安全也是巨大威脅。

當人遭受雷電襲擊時，電流迅速通過人體，嚴重的可使心跳和呼吸停止，腦組織缺氧而死亡。另外，雷擊時產生的火花，也會造成不同程度的皮膚燒傷。雷還能造成耳鼓膜或內臟破裂等。

打雷閃電為何物

雷和閃電是一對孿生兄弟。大氣層中的電荷不斷在云中集結，當電荷量變得足夠大時，就會發生閃電。閃電橫穿天空時，可以很快使沿途的空氣變熱，迅速膨脹，猛烈地向四周沖擊，引起巨大的聲波，這種聲波就是雷聲。

常見的閃電形式主要有云閃和地閃。云閃是指發生在雷暴云內的閃電，包括云天閃電、云間閃電、云內閃電。通常情況下，云閃約占閃電總數的一半以上。云閃因為發生在高空，離地面比較遠，大部分能量耗散在傳播過程中，因此不會對我們造成很大的危害。地閃是指發生于云與地面之間的放電。它對我們的生命財產的危害遠較云閃大。

從形狀上看，閃電有好幾種，最常見的有線狀(或枝狀)閃電和片狀閃電，球狀閃電十分罕見。如果仔細區分，還可以劃分出帶狀閃電、聯珠狀閃電和火箭狀閃電等。方夔詩中“紅光閃電枉矢行”一句可以看成古人對線狀閃電的藝術化描述。

在夏天經常出現雷電交加的現象，而且是閃電過后幾秒甚至十幾秒才聽到雷聲。有人也許會認為先閃電后打雷；或許會認為打雷的地方離我們遠，而閃電的地方離我們近。其實并非如此。閃電和雷聲是同時發生的，但它們在大氣中傳播的速度相差很大，因此人們總是先看到閃電然后才聽到雷聲。光每秒能走30萬千米(月亮與地球的距離是38萬千米)，而聲音每秒只能走340米，在空氣中光速約是聲速的882353倍。光到地面幾乎用不了什么時間，可以認為是0。從看到閃電到昕到雷聲，間隔的秒數乘以340米，就是閃電發生處到我們的距離了。

此外，雷聲遇到云層或高大的建筑物后要產生反射，所以一個閃電光后雷聲一般要持續一段時間才會消失。

那么，一次閃電的過程到底是怎樣的呢?

通常情況下，當雷雨云移到某處時，云的中下部是強大的負電荷中心，地面是正電荷中心。在云底與地面間會形成強大的電場。在電荷越積越多、電場越來越強的情況下，云底首先出現大氣被強烈電離的一段氣柱，稱為梯級先導。這種電離氣柱逐級向地面延伸，每級梯級先導是直徑約5米、長50米、電流約100安培的暗淡光柱，它以平均約150千米／秒的高速度一級一級地伸向地面。在離地面5～50米左右時，地面便突然向上回擊，回擊的通道是從地面到云底，沿著上述梯級先導開辟出的電離通道。回擊以5萬千米／秒的速度從地面馳向云底，發出光亮無比的光柱，歷時40微秒(一微秒等于百萬分之一秒)，通過的電流超過1萬安培，這就是第一次閃擊。相隔幾秒之后，云中一根暗淡的光柱，攜帶巨大電流，沿第一次閃擊的路徑飛馳向地面，稱直竄先導。當它離地面5～50米左右時，地面繼續向上回擊，再次形成光亮無比的光柱，即第二次閃擊。接著又類似第二次情形產生第三、四次閃擊。一般由3～4次閃擊構成一次閃電過程。

雷暴這種天氣過程常伴隨雷電、大風和暴雨，甚至出現冰雹和龍卷風。通過氣象觀測記錄可以統計出哪天、哪個小時有雷暴，也可以借助于儀器觀測資料統計出單位面積(例如每平方千米)上一年發生多少次閃電，打了多少次雷。我國各氣象站都有雷電觀測項目。

此外，通過建設全國雷電監測網監測雷電的發生、發展及消亡過程，可以給有關部門提供雷電災害預警信息，為預防雷電災害服務。中國氣象局《國家閃電監測系統》規劃在全國范圍內建設350個云地閃探測儀，目前已建有232個時差測向混合閃電探測儀。

人工引雷為何物

20世紀60年代，美國學者在室內實驗中發現，快速引入強電場中的細金屬絲會導致擊穿放電，并提出了人工引發雷電的設想。此后用向雷暴云發射拖帶細金屬導線的方法成功地實現了人工引發雷電。法、日、美以及中國的學者先后都進行了人工引雷實驗及綜合測量，取得了令人鼓舞的結果。

2008年6月25日，中國科學院大氣物理研究所和陜西中天火箭公司在西安聯合召開了我國新一代人工引雷專用火箭產品驗收會，第一批生產的15發火箭被運往山東濱州，用于今年夏季在該地的人工引發雷電實驗。6月29

日，有關專家在山東濱州地區實現了在強雷暴中人工觸發閃電。如何人工引發雷電

人工引發雷電的經典方法是：向雷暴云發射一個尾部拖一細長導線的小型火箭來觸發閃電。導線一般采用直徑0.2毫米的細鋼絲或銅絲。導線的長度有幾百米，通常繞在一個安裝在地面的線軸上。

另一種常使用的引雷方式是，上升的火箭首先釋放出一段幾十米長的絕緣尼龍線，然后是金屬導線。當釋放的金屬導線達到一定長度后，在導線的上、下兩端，將分別產生向上傳輸的正先導和向下傳輸的負先導。當下行的負先導接近地面時，一個上行的正先導將從地面目標物上激發，一旦兩個先導被連接，將在目標物與導線下端之間產生一個所謂的首次回擊過程。經典方法模擬的只是向上傳輸的正先導。

下圖是在60米和550米處拍攝的兩次人工引發雷電的照片，可見人工引發的雷電和自然雷電非常相象。

另一種正在實驗的人工引雷方法是通過發射激光誘發雷電。

既然人工能夠引發和自然雷電如此相象的雷電，我們何不把自然雷電都引入地面，這不就從根本上杜絕了雷電災害了嗎?事實并非如此簡單。

目前國內外火箭引發雷電的成功率平均為60％左右。即便如此，人工引發雷電還存在好多問題。首先，人們還沒有真正弄清閃電產生的條件，因而難以肯定何時進行人工引發雷電為好。其次，對空中電的分布還難以直接測量，因而如果僅僅根據地面電的分布來控制人工引發雷電有一定的盲目性。再則，將火箭發射到進入幾百米遠的空中需要一定的時間。有時在這一時間中會發生一次自然雷電，有時火箭又會提前發射到閃電尚不成熟的空中。這些情況都會導致人工引發雷電的失敗。

由于自然雷電發生、發展的隨機性和瞬時性，擊中某一固定目標物的幾率很低，因此如何把握人工引發雷電的時機以避免雷電災害是難以實現的。

人工引雷為哪般

那么，人們為何還要進行人工引發雷電的實驗呢?原來這件事是有很大用處的。

由于對雷電及其近距離電磁場的直接測量十分困難，對其物理過程的認識和科學的防護也因而受到制約。不過，借助于時間和空間可控狀態下的人工引發雷電技術，對雷電及其近距離電磁場變化特征進行觀測研究和詳細分析，對雷電對電磁輻射和傳輸的影響進行理論探討，有益于人們進一步了解雷電的物理特性。由于人工引發雷電的放電過程與自然雷電的相似性，人工引發雷電的研究結果還可應用于自然雷電災害的防護設計中。

雷電有過亦有功

雖然雷電常常給人類帶來嚴重的危害，但也不能就此把雷電說成是十惡不赦的怪物。雷電對人類也是有功勞的。

從進化史看，雷電的出現早于人類，甚至早于動物。閃電與首次產生氨基酸有關，因而可能是生物進化中不可缺少的一員。

閃電還可能是人類第一個火種的源泉。

此外，閃電放電有固氮作用，它能使大氣中的氮變成氮氧化物，成為植物包括農作物生長過程中可吸收的化合物。因此，雷電是人類的“氮肥廠”。億萬年來，地球靠雷電不斷地向土壤中補充氮肥。

閃電也會導致臭氧的產生，而臭氧在一定程度上對人類是有益的。

責任編輯趙菲