打雷

一种自然天气现象

打雷

雷（Thunder），[0]又称“打雷”，[1]自然界中常见的发声现象，通常指伴随着闪电产生的骤响或轰隆声。雷的形成主要由大气中云体的运动引起，由于大气中的云体之间、云地之间因运动引起正负电荷互相摩擦产生剧烈的放电而产生高温，使大气急剧膨胀，形成向四周传播的激震波，激震波会在较短距离内衰减退化为声波，便形成雷声。[3][4]中国早在3500年前的殷代甲骨文中就已有关于雷电的记载。后在大约公元前120年，西汉刘安等著的《淮南子》中提出“阴阳相薄为雷，激扬为电”的思想；约公元1708年，沈括在《梦溪笔谈》一书中对闪电电流在瞬时通过金属导体时造成的现象进行了详细描述。1752年6月，本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）进行了著名的风筝探测实验，他观测到了通过风筝引线由雷雨云产生的电火花，揭示了雷电的本质。[2]雷可以分为炸雷和闷雷两种。[5]从全球范围来说，每年雷鸣的地理分布从赤道向两极地区逐渐减少；[2]在时间方面，雷鸣的高峰都在七、八月份。[6]

雷（Thunder），[1]又称“打雷”，[2]自然界中常见的发声现象，通常指伴随着闪电产生的骤响或轰隆声。雷的形成主要由大气中云体的运动引起，由于大气中的云体之间、云地之间因运动引起正负电荷互相摩擦产生剧烈的放电而产生高温，使大气急剧膨胀，形成向四周传播的激震波，激震波会在较短距离内衰减退化为声波，便形成雷声。[4][5]

中国早在3500年前的殷代甲骨文中就已有关于雷电的记载。后在大约公元前120年，西汉刘安等著的《淮南子》中提出“阴阳相薄为雷，激扬为电”的思想；约公元1708年，沈括在《梦溪笔谈》一书中对闪电电流在瞬时通过金属导体时造成的现象进行了详细描述。1752年6月，本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）进行了著名的风筝探测实验，他观测到了通过风筝引线由雷雨云产生的电火花，揭示了雷电的本质。[3]雷可以分为炸雷和闷雷两种。[6]从全球范围来说，每年雷鸣的地理分布从赤道向两极地区逐渐减少；[3]在时间方面，雷鸣的高峰都在七、八月份。[7]

自古与雷有关的文化颇多，如雷神是一位世界性的神祇，许多民族都曾把他作为至上神而加以顶礼膜拜。在古希腊神话中，以雷电和霹雳作为武器的宙斯（Zeus）就被视为雷神。同样，在中国各民族的神灵崇拜谱系中，雷神均有较高地位。[8]此外，古人也留下较多关于雷的古诗，如《无题》诗之二、《闻雷》等。[9][10]

定义

狭义而言，雷是伴随闪电的声音；广义而言，雷与雷暴周围大气的所有流体动力学性质有关，因而，雷的广义定义也包含了因大气急速膨胀而产生的次声现象。[11][12]

研究历程

中国早在3500年前的殷代甲骨文中，就已有关于雷电的记载。大约公元前120年，西汉刘安等著的《淮南子》中提出“阴阳相薄为雷，激扬为电”的思想，认为闪电是阴和阳两种力量相互冲突、相互渗透的结果。其后二百年，东汉王充在《论衡》一书中指出：“雷者，太阳之激气也。”他还总结了雷电活动的季节性：“正月始雷”“五月雷迅”“秋冬雷潜”，他也认同阴阳相互作用产生闪电的看法。约公元1708年，沈括在《梦溪笔谈》一书中对闪电电流在瞬时通过金属导体时造成的现象进行了详细描述。[3]

1750年，本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）提出了一个测试雷电的实验，他建议用一根长而尖的铁棒，支持在一个绝缘的玻璃底座上并把它们装在高烟囱或高塔上。然而当时富兰克林所在的费城并无高耸的烟囱或铁塔，因而他无法证实自己的预言。1752年6月，富兰克林进行了著名的风筝探测实验，他把一个用丝手绢作成的风筝系在一根长线绳上，在线绳末端接一根绝缘丝带，当雷雨云移近时，他观测到了通过风筝引线由雷雨云产生的电火花，揭示了雷电的本质。世界上从富兰克林开始才真正进入在现代电学基础上的雷电研究。1753年，苏联的米哈伊尔·瓦西里耶维奇·罗蒙诺索夫（Михаи́л Васи́льевич Ломоно́сов）和李赫曼（Rehman）用自制的测雷器探测到雷雨云过境时所引起的电火花，但是李赫曼不幸为闪电击中而丧生，成为近代雷电研究中的第一个牺牲者。[3]

命名

在中文中，“雷”是会意字，甲骨文字形像闪电之形，中间的四个点先变为两个口，又变为两个田，表示闪电后发出的声响。[13]《说文》记载：“雷，阴阳薄动，雷雨生物者也。”雷动而雨，之后万物始生，故古人以雷为司万物生发者。[14]后又衍生出巨大声响、军事上用的爆炸武器，还作动词“雷”指打雷，《吕氏春秋·贵生》中记载：“故雷则掩耳”。[13]

在英文中，雷的名称为“thonder”，在中世纪是指“紧随闪电而来的突然或隆隆的巨响”，源自古英语“þunor”（雷声，雷暴；雷神索尔），自18世纪以来，人们认为这是由于放电造成的空气突然扰动。动词“thonder”源自古英语“þunrian”，从14世纪中期开始，引申出“大声说话、发出威胁的声音”的比喻意义。[15]

形成条件

电荷

在雷声形成之前，积雨云的不同部位聚集着大量的正电荷或负电荷，云上部以正电荷为主，下部以负电荷为主从而形成雷雨云。地面因受到近地面雷雨云的静电感应，也会带上与云底相反符号的电荷，两者相当于一个巨大的电容器。积雨云与地面间的电场强度与距离都很大，所以它们之间的电势差很大，即电压很大。当云层里的电荷越积越多，使电场强度达到一定强度时，就会把空气击穿，打开一条狭窄的通道强行放电形成闪电，而闪道上的高温会使空气急剧膨胀，同时也会使水滴汽化膨胀，催生雷声的形成。[16]

空气变化

雷声的形成条件主要在于通过空气的膨胀和压缩产生的冲击波。在雷雨天气中，上升气流和下降气流推动水分子互相作用，在电场强度足够强到将空气击穿后，这些高速电子在电场中的伽马射线或X射线的作用下，与大气层其他微粒发生碰撞，[17]此时空气闪电通路中的空气突然剧烈增热造成空气的急剧膨胀与迅速冷却后造成的空气收缩会在千分之几秒的短暂时间内产生冲击波，后转化为雷声。[18][6]

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打雷的形成条件

形成原理

雷声的形成机制，主要是由于在强烈的闪电放电时，闪电通道上的空气介质由于强电场击穿而发生导电，大量的正负电荷瞬间中和，互相摩擦，产生大量热量，气温骤升至15000~20000℃，气压骤升至10~100个大气压，高压闪电通道急剧膨胀，形成向四周传播的激震波，激震波会在较短距离内衰减退化为声波，从而形成雷声。[4][5]

影响因素

影响雷产生、传播的主要因素有大气性质、闪电发生距离、大气湿度、温度等。[19]

大气介质的性质对雷声传播的影响，包括在固体表面上及气层之间的界面上的折射和反射，雨和水气对声的反射和吸收。基于大气介质对声波能量的吸收，通过计算建立了吸声系数[注1]表，说明雷声信号的幅度随传播距离而减小。改变相对湿度从20%-100%，衰减因子逐渐增加，并且50-100Hz的信号衰减可忽略。雷声衰减是由于声波从云粒子中散射而致，这种形式的散射也优先衰减了雷声的高频成分，近距离处能听到的雷声高频成分，在超出几千米的距离就听不到。而且，对相同的闪电和观测距离，在不同的大气环境下吸声系数也不同。[19]

闪电发生距离、大气湿度和温度是影响雷声传播的主要因素，在一定闪电距离和大气环境下，吸声系数随频率的增加而增大；频率小于100Hz的雷声衰减很慢，空气相对湿度和温度对其吸声系数的影响也比较小，在一定距离内的衰减可以忽略；频率大于500Hz的高频信号吸声系数较大，并且随相对湿度的增加而快速递增；吸声系数随温度呈非单调变化，频率越大吸声系数峰值对应的温度越高。另外，闪电过程中伴随的降雨也是影响雷声高频成分传播的因素。[19]

主要特征

分布广泛但不均

分布广泛是指雷的产生在世界范围内较为广泛，各大洲均有发生；分布不均是指雷的产生不呈等距的规则分布，无法保持一定的平均距离。[20][21]由于大气运动的频率差异，各地区产生的频率略有不同。[22][23]雷的分布是不均匀的，大致是山区多平原少，南方多北方少。[24]不同地区每年需暴日[注2]的多少和地区所在的纬度有关，赤道地带约100~150雷暴日，热带约75~100雷集日，中纬度约30~50雷暴日，在极圈附近只有几个雷暴日。[22]

传播距离短

雷声传播的距离是指人到雷鸣处的距离。[25]由于大气对雷声的衰减作用，雷声的传播距离一般不超过20~25km并且高频雷声的传播距离较短，近处的人们听到的雷声是尖锐的高频霹雳声，而较远处的人们听到的雷声则是频率较低的隆隆声。[4]

传播速度较闪电慢

雷声的传播速度是指在某一特定的瞬间和空间点上，观察场的一个特定属性在指定的时间间隔内所发生的位移矢量。具体而言，这个速度就是当时间间隔趋近于零时，位移矢量与时间间隔的比值的极限，[26]为标准声速。[27]打雷时，闪电和雷声同时发生，而闪电是以光的形式传播的，每秒达到30万千米，雷声是以声波的形式传播的，只有约每秒340多米，光波的传播速度比声波的快，所以人们一般先看到闪光，而后听到雷声。[28]如果知道了闪电与雷声传来时的相差时间，就能猜测到雷电发生地的位置。[29]

主要分类

根据雷的发声特征，可以将雷分为炸雷、闷雷两种类型。[6]

炸雷

炸雷是指像爆炸声一样的雷声。人们常说的炸雷一般是距观测者很近的云对地闪电所发出的声音，在这种情况下，观测者在见到闪电之后几乎立即就能听到雷声，有时甚至在闪电同时就能听见雷声，因为闪电就在观测者附近，它所产生的爆炸波还来不及演变成普通波，所以听起来犹如爆炸声一般。[30]

闷雷

闷雷是指沉闷的轰隆声。如果云中闪电时，雷声在云里面多次反射，在爆炸波分解时，又产生许多频率不同的声波，它们互相干扰，使人们听起来感到声音很沉闷。一般闷雷的响度比炸雷来得小。[30]

拉磨雷

拉磨雷是指声音低沉而连续不断的雷声。每次响雷雷声成串，好像由远至近或由近至远，又好像雷声在丛山峡谷中回旋，持续出现，[31]是闷雷的一种形式。[6]

空间分布

从全球范围来说，雷鸣的地理分布从赤道向两极地区逐渐减少。[3]在气候方面，热而潮湿的地区雷鸣多于冷而干燥的地区。在地域方面，落雷密度山区大于平原，平原大于沙漠，陆地大于湖海。如中南、华东地区的落雷密度山区0.02次/km2，平原0.01次/km2。[7]在中国，雷鸣总数的分布，南方多于北方，[3]大致是华南>西南>长江流域>华北>东北>西北。[7]

时间分布

在时间方面，雷鸣的高峰都在七、八月份。活动时间大都在14：00~22：00。[7]

预警

在中国，雷电预警信号分三级，从低到高分别用黄色、橙色和红色来表示。[32][33]

图例含义防御指南6小时内可能发生雷电活动，可能会造成雷电灾害事故政府及相关部门按照职责做好防雷工作密切关注天气，尽量避免户外活动2小时内发生雷电活动的可能性很大，或者已经受雷电活动影响，且可能持续，出现雷电灾害事故的可能性比较大政府及相关部门按照职责落实防雷应急措施人员应当留在室内，并关好门窗户外人员应当躲入有防雷设施的建筑物或者汽车内切断危险电源，不要在树下、电杆下、塔吊下避雨在空旷场地不要打伞，不要把农具、羽毛球拍、高尔夫球杆等扛在肩上2小时内发生雷电活动的可能性非常大，或者已经有强烈的雷电活动发生，且可能持续，出现雷电灾害事故的可能性非常大政府及相关部门按照职责做好防雷应急抢险工作人员应当尽量躲入有防雷设施的建筑物或者汽车内，并关好门窗切勿接触天线、水管、铁丝网、金属门窗、建筑物外墙，远离电线等带电设备和其他类似金属装置尽量不要使用无防雷装置或者防雷装置不完备的电视、电话等电器密切注意雷电预警信息的发布参考文献[32][33]

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雷电灾害防御预警科普

传说典故

雷神是一位世界性的神祇，许多民族都曾把他作为至上神而加以顶礼膜拜。如在古希腊神话中，以雷电和霹雳作为武器的宙斯（Zeus）就被视为雷神。同样，在中国各民族的神灵崇拜谱系中，雷神均有较高地位。一般认为，雷神信仰起源于中国古代先民对于雷电的自然崇拜，因为远古时代气候变化异常，晴朗的天空会突然乌云密布，雷声隆隆，电光闪闪。雷电有时会击毁树木，伤害人畜，使人们认为上天有神在发怒，进而产生恐惧之感，对之加以膜拜。发展到后来，雷神的形象也从单纯的自然神逐渐转变成具有复杂社会职能的神。如在原始社会，雷神崇拜是和生殖崇拜紧密联系在一起的。[8]

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山海经中有关雷神的传说典故

文学惦记

《无题》诗之二——唐·李商隐

飒飒东风细雨来，芙蓉塘外有轻雷。[9]

《己亥杂诗·其二百二十》——清·龚自珍

九州生气恃风雷，万马齐暗究可哀。

我劝天公重抖擞，不拘一格降人才。[34]

《闻雷》——唐·白居易

穷冬不见雪，正月已闻雷。[10]

参考资料 34

  1. 雷 — 术语在线
  2. 参考 2
  3. 参考 3
  4. 参考 4
  5. 参考 5
  6. 参考 6
  7. 参考 7
  8. 参考 8
  9. 参考 9
  10. 参考 10
  11. 参考 11
  12. 雷 — 中国气象科普网
  13. 参考 13
  14. 参考 14
  15. thunder — etymonline
  16. 参考 16
  17. 参考 17
  18. 参考 18
  19. 参考 19
  20. 参考 20
  21. 参考 21
  22. 参考 22
  23. 参考 23
  24. 参考 24
  25. 参考 25
  26. 参考 26
  27. 参考 27
  28. 参考 28
  29. 参考 29
  30. 【安全科普】“雷电交加”，此刻哪里最安全? — 微信公众平台
  31. 参考 31
  32. 自然灾害监测预警预报 — 中国大百科全书
  33. 雷电预警信号 — 中国气象局
  34. 参考 34

注释

  1. 吸声系数是雷声信号频率、大气温度和湿度的函数
  2. 为了方便统计雷声的频率，人们采用雷暴日为单位，规定在一天内只要听到一次雷声就算一个雷暴日。[22]
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