從天空引雷電利用？也許不是個好主意……

馬劍

單次雷電的能量有多大？

關于雷電的能量，有說一個雷的能量相當于幾千克石油的，也有說一個雷的能量夠一座城市用兩年的，眾說紛紜，到底哪種說法靠譜呢？想要知道答案的話，最好用專業的參考資料進行計算，這里我推薦選用大學電氣工程及其自動化專業的教科書《高電壓技術》，這本書中對雷電進行了系統的講解，還提供了較詳細的數值模型。OK，下面就開啟我們的計算之旅吧。

只考慮常規雷電的話，雷電對地放電的過程可分為三個階段：（1）先導放電;（2）主放電;（3）余輝放電。

首先是先導放電。先導放電的作用是建立雷電通道，相當于“鋪路”。我們要探究的雷電能量，就是空中的雷云對地放電的能量。通常雷云的上部帶正電荷，下部帶負電荷，這些聚集在下部的負電荷在附近地面感應出大量正電荷，當雷云與大地局部電場強度達到大氣游離所需的電場強度（約25—30 kV/cm）時，就會使空氣游離，形成先導放電通道。

先導放電建立導電通道的過程有點像“扭秧歌”，每一步都挺快，但走一步歇一會，整體速度就非常慢了，為100—800 km/s，只有光速的千分之一左右，這個過程持續0.05—0.1 s。

先導放電的瞄準對象通常是地面上高聳突出的物體，這些物體周圍電場強度比較大，所以會出現向上的“迎面先導”現象。因此，在雷雨天，我們要避開大樹、避雷針等尖銳、高大的物體，同學們要記住哦。

關于能量，先導放電過程中電流比較小，相對于雷電的整體能量，其能量可以忽略不計。

然后是主放電，這也是主要的雷擊放電過程。在先導放電過程建立了平坦通暢的放電通道之后，電荷就可以暢通無阻地“飛馳”了。在放電通道中，帶負電的電子向下運動流向大地，正電荷向上運動，兩者相互中和。這樣的大量電荷流動，形成主放電過程。

主放電過程通常會出現非常大的脈沖電流，產生強烈的光和熱，使空氣急速膨脹、震動，這就是我們看到的閃電和聽到的雷聲。主放電的發展速度非常快，約2×104-1.5×105km/s，比起前面的“扭秧歌”可是快了幾百甚至上千倍。

主放電過程持續時間極短，一般不超過100 μs（微秒），但是電流非常大，峰值高達幾十甚至上百千安培（kA），之后衰減形成雷電流沖擊波形。我們選擇其中最簡單的波形進行計算。主放電過程的電流計算公式為i=，其中，i是對零電阻通路的雷電流值，為幾十到上百千安培，我們將峰值取大些，算100 kA吧（順便一提，這么大的雷電流并不常見）;參數Z0是沿著雷擊通道運動的電壓波與電流波的比值，有關規程建議取300—400 Ω，這里我們按350 Ω估算; Z是被雷擊物體的波阻抗，設被雷擊物體末端電壓為零，承接全部能量（按純熱量估算），使用能量計算公式，并對Z求導可以計算出，被擊物體取Z=Z0可以得到最大的電擊能量，所以也是取350 Ω。經過計算可以得出，此過程能量合計0.8+24.3=25.1（kWh）（實際上還得打折哦）。

最后是余輝放電過程，剩余電荷“發揮余熱”。這個過程是云的剩余電荷沿著主放電通道繼續流向大地的過程，電流比之前小很多，只有10—1000 A，持續時間大概為0.03—0.05 s。

實際上，電流是按指數衰減的，為簡便起見，我們按線性計算（結果會偏大），從1000 A衰減到0 A，時間取0.05 s，得到的結果大約為5845 kJ，相當于1.6 kWh。

綜上所述，一個典型的雷擊所攜帶的能量大概有25.1+1.6=26.7（kWh）這么多。假設我們技術無比先進，以100%的利用率捕捉到了這些能量，而且能轉換為居民用電的話，也就是26.7度電而已，按每度電0.5元計算的話，約相當于電費13.4元。注意，這個還是偏高的數值，實際上還要打折。嗯，打一個雷只有13.4元，雷神你放電的這一錘子還不如裝修師傅的貴呢……

雷神：“為啥咧？”

為啥？很簡單，因為能量=功率×時間（實際上是功率對時間的積分），雷電的功率確實非常高，但持續時間短得離譜，所以總體的能量并不高。

雷電的數量有多少？

有人又會說了，蚊子再小也是肉啊，萬一雷神是個打架子鼓的呢？如果人家一口氣“咚咚咚咚”地打好多雷，不也很有經濟價值嗎？

那我們再算算雷電的數量。衡量雷電數量，有個參數叫作“地面落雷密度”，用于計算在一個雷暴日（只要這天打雷就算雷暴日）中，每平方千米地面上的平均落雷次數。這個值與地區有關，以長江流域附近每年有雷暴日40天左右為例，地面落雷密度大約是0.07。

想要充分吸收這些雷的話，我們需要使用引雷的設備——避雷針。需要多少避雷針呢？關于避雷針的有效范圍（保護半徑）問題，《高電壓技術》一書中給出了計算公式。簡單來說，避雷針的有效范圍是避雷針高度的1—1.5倍，保護對象高度越低，保護范圍越大。為了方便，我們將保護對象按地面（高度為0）計算吧，避雷針高度選用超高的120 m，其保護半徑也是120 m，以正六邊形密鋪的方式計算（合每個避雷針保護3.74萬平方米的面積），那么平均每平方千米需要大約26.7個避雷針。

有這么多避雷針，才能在每個雷暴日每平方千米獲得0.07個雷的能量，假如將其100%轉換為居民用電的話，相當于每平方千米全年約可節省電費37.5元……說真的，就算刷一小時盤子，賺的可能都比這個多。

結論

到這里我們明確了：（1）單次雷擊的能量并沒有多大;（2）雷擊的密度也并不大。因此，即使不考慮技術水平和安全性，利用雷電仍然是一件非常不經濟的事情，“從天空引雷電利用”并不是個好主意。