闪电

闪电（lightning）又称雷电，指在云内、云际或云地间发生的火花放电现象。常伴有强烈电光。按形状分，有枝状闪电、叉状闪电、带状闪电、火箭闪电、片状闪电、串珠状闪电和球状闪电等。最常见的是枝状闪电。闪道长度短的2～3千米，长的达20千米。直径约几十厘米。通常在积雨云情况下出现，但在雨层云、雪暴、尘暴和火山爆发时也会偶尔出现。闪电的颜色很多，明亮的白色、黄色、粉红色、淡蓝色，有时候还有紫色。^[2][3][4]

闪电的形成和雷雨云^[注1]有关，关于雷雨云起电机制说法较多，但目前占主导地位的是“非感应起电^[注2]”。^[5]产生闪电的条件是雷雨云中有积累并形成极性，同时伴随强对流天气过程发生。^[6]整个闪电过程的每一次放电，称为闪击，一次闪电经常可记录到数次闪击，有的多达10次以上。闪击一般包含先导和回击两个过程。^[7][8]

从全球范围来说，雷电日总数的地理分布从赤道向两极地区逐渐减少。^[9]闪电除了对人体的危害，常见的还有建筑物、电力、飞机、森林、无线电通讯等方面。^[10][11][12]目前主要的防雷设备除避雷针外还有避雷器、避雷网、接地装置等。防雷技术有分流、拦截、屏蔽、均压、接地五种。^[13][14]

关于闪电的历史，中国早在公元前14世纪的殷代甲骨文中，就已有关于雷电的记载。后在西汉刘安等著的《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。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^[注3]。^[9]

到18世纪，为揭示闪电的性质，许多科学家进行了探测实验。如美国学者B.富兰克林在1750年曾提出，用装在高塔上的避雷针，由云中引电进行测量的设想。1752年6月他冒着雷击的危险，在费城进行了著名的风筝探测雷电的实验^[注4]，观测到了通过风筝引线由雷雨云产生的电火花，证实了自然闪电和摩擦产生的电本质的一致性。同一时期，苏联学者Μ.Β.罗蒙诺索夫和Γ.Β.里赫曼用自制测雷器探测到了雷暴过境所引起的电火花，不幸的是里赫曼为闪电击毙。自此以后，开始了关于闪电在电学基础上的近代研究。^[9]

闪电的形成和雷雨云^[注1]有关，关于雷雨云起电机制说法较多，但目前占主导地位的是“非感应起电^[注2]”。雷雨云中积聚大量的冰晶、软雹、水滴等不同的水成物^[注5]，这些粒子之间互相碰撞、凝结，携带了不同电荷，大的重的粒子下沉，小的轻的粒子上升，这样在雷暴云内形成了携带不同电荷的电荷层。通过实验室的观测发现，冰晶和软雹碰撞之后携带的电荷与温度、水汽密度有关。当液态水含量介于0.1-4.0gm-3，温度高于-10℃，大的软雹在碰撞后携带正电荷，而温度低于-10℃，大的软雹在碰撞后携带负电荷。在这种非感应起电机制的作用下，雷雨云从上到下呈现“正-负-正”三极性电荷结构。在雷雨云内的正负电荷层之间，当电场强度足够大时，就会产生闪电。闪电像树的生长一样不断延展通道，“根”和“叶”同时朝着相反的方向发展，一端带正电荷朝着云内负电荷区发展，另一端带负电荷朝着云内的正电荷区发展。大多数的闪电就这样发生、发展、熄灭在云内；也有部分闪电，向下发展的先导通道抵达地面，发出一道明亮的闪光，形成了一次云地闪电。^[5][15][16]

产生闪电的条件是雷雨云中有积累并形成极性，同时伴随强对流天气过程发生。^[6]

由云中曲折行进到达地面的闪电（以下行负电闪为例），人眼看上去似乎是一次瞬间闪光，但通过高速摄影揭示，它往往是由同一条通道、彼此间隔约百分之几秒的多次相继放电组成。整个闪电过程的每一次放电，称为闪击，一次闪电经常可记录到数次闪击，有的多达10次以上。闪击一般包含先导和回击两个过程。^[17][7][8]

先导是为闪电放电建立电离通道的准备过程，分为梯级先导和直窜先导两种。梯级先导是像阶梯一样逐级伸向地面的暗淡光柱，直径约5米，每级长约50米，先导约以107次方米/秒的速度通过这一段路程，然后间歇30~100微秒，再继续向前延伸。故整个梯级先导以约1.5x105米/秒的平均速度迅速向地面伸展。^[17][7][8]

梯级先导为回击建立了电离通道，当先导距地面5~50米时，则地面上某点将产生沿电离通道向上行进的回击过程。回击的发光度比先导强得多，肉眼所见的闪光即为回击，速度约为5x107米/秒，持续约40微秒，通过的电流约104安，偶尔可达105安。回击通道直径平均仅数厘米。在梯级先导和第一次回击通过之后，可能有百分之几秒的时间间歇，随后是第二次先导和回击。第二次以后的各次先导，通常由云至地直窜而下，称为直窜先导。由于它没有梯级，所以运动速度大约比梯级先导高10倍。一次闪电的整个持续时间约0.2秒，大约由云中向地面输送数十库负电荷。^[17][7][8]

根据闪电的不同形态和特征，可将闪电分为线状闪电、带状闪电、火箭状闪电、片状闪电、热闪电、珠状闪电和球状闪电等不同类型。^[18]

闪电的颜色很多，明亮的白色、黄色、粉红色、淡蓝色，有时候还有紫色。^[4]

根据闪电有无声音，可以分为有声闪电和无声闪电。雷也是水和空气在高压(火花)的作用下分解所产生的瓦斯爆炸时发出的声音。^[18]

雷暴日(或雷电日)是气象上反映闪电活动的一个观测项目，一天只要发生一次闪电就算一个雷电日。从全球范围来说，每年雷电日总数的地理分布从赤道向两极地区逐渐减少。根据观测资料，印度尼西亚爪哇岛的茂物市，年雷电日总数可达322天，有世界雷都之称。在中国，年雷电日总数的分布，南方多于北方，南方平均为40-80天，北方平均为25一40天；而海南岛和雷州半岛等地，是中国雷电活动最频繁的地区，可达120一130天。^[9]

闪电发射光谱的观测研究，提供了闪电物理性质的最早线索。考察300～1000纳米的闪电光谱时，发现它是在弱连续光谱的背景上，由原子和离子发射谱线以及分子的发射和吸收带组成的。已发表的近200条谱线，大多数属于中性的和电离的氮和氧的发射谱线。由闪电光谱的研究，可推断闪电通道的温度在几微秒内就达到25000～30000K的峰值，但在30微秒左右，已降到半峰值，在峰值温度时通道中的电子浓度为1017～1018个/厘米3，约大于或等于通道中的分子、原子和离子的浓度之和；压力达10大气压。闪电光谱的一些研究结果与电磁方法观测的闪电电学参数相吻合。^[19]

根据闪电有无声音，可以分为有声闪电和无声闪电。^[18]

有声闪电是一种明亮的电气火花放电，同时还伴有强大的响声，这就是雷声。雷声的大小与闪电的强弱相应。雷不仅仅是由于空气在温度高达18000℃左右的闪电通道中因突然强烈受热和随之而起的急速冷却，致空气因激素膨胀和压缩的振动而发生的响声；同时，雷也是水和空气在高压(火花)的作用下分解所产生的瓦斯爆炸时发出的声音。由于爆炸波的特性、多次放电的声音来回反射等关系，雷声隆隆不绝。^[18]

无声闪电中最常见的一种是被叫作“爱尔马圣火”的闪电，由于暴风雨等原因，大气中的电场强度大大地增长起来，在地球表面的突出物体附近，电场强度很容易达到30kV/cm的强度，导致在突出部分大声静寂放电。这是一种并非雷云与大地间放电和没有雷声的闪光现象，实际上就是尖端电晕放电现象。^[18]

根据闪电部位可分成云闪和地闪两类。自然界中大部分闪电为云闪，地闪占总闪电数的1/6~1/3(温带地区的比值高于热带地区)。由于地闪对人类活动和生命安全有较大威胁，故研究比较多。地闪可以向地面输送正电荷或负电荷，约90%的地闪向下输送负电荷，称为下行负电闪。^[18][20]

云闪指不与大地和地物发生接触的闪电，包括云内闪电、云际闪电、云空闪电三类。云内闪电指云内不同符号荷电中心之间的放电过程；云际闪电指两块云中不同符号荷电中心之间的放电过程；云空闪电指云内荷电中心与云外大气中不同符号荷电中心之间的放电过程。^[18][20]

地闪是指云内荷电中心与大地和地物之间的放电过程，也指与大地和地物发生接触的闪电(如云际闪电的闪电通道与地面的建筑物接触)。^[18][20]

按照地闪所转移电荷的极性和其初始先导的运动方向将地闪分为下行负地闪、下行正地闪、上行负地闪和上行正地闪四种类型。其中下行负地闪，占全部地闪的90%以上，它由向下移动的负极性先导激发，因此向地面输送负电荷；下行正地闪也由下行先导激发，但是先携带正电荷，因此向地面输送正电荷，占全部闪电的10%以下。上行负地闪和上行正地闪由从地面向上移动的先导激发，也称上行闪电，上行闪电较罕见，通常发生在高山顶上或人工的高建筑物上。一般将向地面输送负电荷的闪电(下行负地闪、上行负地闪)称为负地闪，向地面输送正电荷的闪电(下行正地闪、上行正地闪)称为正地闪。^[21][1][20]

自然界最常见的是线状闪电，它最主要的特征是细亮的发光光柱。如光柱平直而不分叉，像树干一样，也称为枝状闪电；如光柱蜿蜒曲折而又分叉，则称为叉状闪电。线状闪电具有若干次放电，其中每次放电过程称为一次闪击。线状闪电一般都是一种蜿蜒曲折的巨型电气火花，长2~3千米，也有长达10千米的，是闪电中最强烈的一种，对电力、电信系统及人畜和建筑物等威胁最大。当雷云与大地间或雷云相互间的电场强度由于游离电荷的逐渐累积而增长到足以使空气绝缘破坏的强度(最高时可达100kV/m)时，会产生一种强烈的放电现象，在放电的瞬间具有极大的能量，电压可累积到10000~100000kV，放电电流可高达数十万安培，而放电时间只不过是千万分之几秒。线状闪电大多是雷云与大地间的放电，但也有的是雷云之间的放电。^[18]

带状闪电由连续数次的放电组成，在各次闪电之间，闪电路径因受风的影响而发生移动，使得各次单独闪电互相靠近，形成一条宽约十几米的带状，比线状闪电要宽几百倍，看上去呈带状的云地闪电，它是由于线状闪电的通道受强风影响而移动，致使闪电中的各次闪击的空间位置在水平方向上分开而呈带状。这种闪电如果击中房屋，可以立即引起大面积燃烧。^[18][22]

火箭状闪电是一种长路径的空气放电，比其它各种闪电放电慢得多，它需要1—1.5秒钟时间才能放电完毕，肉眼可直接观测到放电像箭似地沿闪电通道缓缓移动，整个放电的持续时间约1秒。^[18][22]

片状闪电也是一种比较常见的闪电形状，片状闪电是指那些使一片云或几块云发亮的闪电。片状闪电经常是在云的强度已经减弱，降水趋于停止时出现的。它是一种较弱的放电现象，多数是云中放电。片状闪电在云的表面上出现闪光，有时可能是被云块遮没的火花闪电的延光，也可能是在云的上部发出来的丛集的、若隐若现的一种特殊的放电作用的光。这种闪电，表示云中电场的能量虽然已经足够产生放电作用，但是新加入的电量却太少，以致在闪烁放电尚未转变到火花(线状)放电以前，原有的储电量已经用完了。^[18][22]

热闪电用来称呼那些远得听不到雷声只看到闪光的闪电。片状闪电与热闪电常常较难以区分。^[18]

珠状闪电指那种闪电通道看起来好像断裂成许多小段那样的闪电。每段长约数十米，远看好像一串佛珠悬挂在天空。球状闪电是一种不太常见而又会造成一定危害的奇异闪电，通常在有强雷暴时出现。它外观呈球状，直径10~20厘米(也有小于1厘米甚至大到10米的)，呈红、橙或黄色，存在时间小于5秒(少数超过1分钟)，水平移动速度通常为每秒数米，有时能停在半空中不动或由空中向地面降落。^[18]

球状闪电又称滚地雷，通常在雷暴时发生。球状闪电的平均直径为25厘米，大多数的直径范围在10至100厘米之间，最小的和最大的直径相差悬殊，小至0.5厘米。球状闪电追踪难度很大，从出现到消失，持续的时间一般为几秒钟。其次颜色多变，常见的颜色为橙红色或红色，还有黄色、紫色、蓝色、亮白色、幽绿色的光环，呈多种多样的色彩。球状闪电偶尔会呈现出环状或由中心向外延伸的蓝色光量，发出火花或射线。^[23]球状闪电爱钻缝，从烟囱、窗户、门缝钻进屋内，消失时常伴有爆炸并发出巨响，也有无声无息消失的，消失处常有股像臭氧或一氧化氮的气味。关于球状闪电的成因，曾有很多假说，至今尚无完善的理论可以解释它的各种行为。^[18][22]

雷击常对建筑物造成破坏，它能把烟囱削平、使墙垣倒塌，如遇建筑物内有易燃易爆物(如油库、火药库)则会造成更大的损失。在地下隧道作业中，雷击还会引起爆破作业雷管的提前引爆，从而造成重大伤亡。^[10][11]

自有电力工业以来，线路和设备上的雷击事故就是引起停电的主要原因。近代一起严重的雷击停电事故发生在1977年7月13日晚8时30分左右，使得人口近一千万的纽约市停电达26小时之久，损失惨重。雷电同样也破坏低压输电线路、有线通讯线路等，雷击电流或它在导线中感应的过电压常常沿电灯线、电话线窜入室内，造成设备损坏和人身伤亡事故。^[10][11]

自从民航实行全天候飞行班次以来，飞机被闪电击中、甚至于击坏的事也时有发生。特别是1970年阿波罗12号宇宙飞船发射到数公里高度时受到闪电袭击一事，更引起了人们对雷击的重视。研究发现，高速运动的物体有利于诱发闪电。^[10][11]

闪电还是森林火灾的重要原因。据统计，在全球范围内闪电引起的森林大火每年大约达5万次之多。在加拿大的不列颠哥伦比亚省，雷击森林火灾占全部森林火灾的40%，而在美国西部则为60%。我国的大兴安岭林区，雷击森林火灾的比例也与上述数字相近。^[10][11]

闪电的电磁波辐射还会干扰无线电通讯，严重的甚至使通讯中断。许多遥控系统，如铁道上使用的自动讯号装置及导弹的遥控设备等，均会因闪电影响而失灵。此外，有些警戒系统也会因闪电干扰而造成虚报。^[10][11]

多数情况下，一次雷击只造成一人死亡，偶尔才有多人死亡的缘故。据美国1940-1973年三十多年的统计，雷击造成的死亡人数平均每年为204人，由于闪电发生得频繁而广泛，所以实际上闪电造成的累计伤亡数远超过龙卷、飓风和洪水等自然灾害分别造成的死亡人数。闪电造成的伤害又可分为直接间接两种。^[12][24]

如果闪电直接击中人体，雷电流经人体流入地里，就会造成直接死亡。闪电直接使人死亡的原因有两个。一是电流通过心脏、造成心室纤维性颤动或心脏停止跳动，从而使血液循环停止；二是电流经过位于脑下部的呼吸中枢，使呼吸停止。就造成伤亡的机会而言，间接死亡比直接死亡更频繁。间接死亡分接触电压、旁侧闪络和跨步电压三种。它们是由于人体接触雷击物或与雷击物相距较近而，造成事故的。^[12][24]

闪电时在室外的人，为防雷击，应遵从四条原则。一是人体应尽量降低自己，以免作为凸出尖端而被闪电直接击中。二是人体与地面的接触面要尽量缩小以防止因“跨步电压”造成伤害。所谓跨步电压是雷击点附近，两点间很大的电位差，若人的两脚分得很开，分别接触相距远的两点，则两脚间便形成较大的电位差，有强电流通过人体使人受伤害。第三是不可到孤立大树下和无避雷装置的高大建筑体附近，不可手持金属体高举头顶。第四是不要进水中，因水体导电好，易遭雷击。^[22]

目前主要的防雷技术有分流、拦截、屏蔽、均压、接地五种。^[13][14]

从室外引入室内的输电线路与防雷和放电设备一起使用并接收在电线接头中间的方法称为分流。在雷击天气，防雷放电设备可以在最短的时间内启动避雷装置，将电阻降到最低，完成雷击分流，部分雷电流排到地面，保证机房内电子材料、设备的安全。^[13][14]

拦截雷电就是用方法正确引导雷击，按照事先设计好的安全通道将雷击排到大地。为了更好地保证阻隔技术能够顺利实施，必须将其应用到接闪设备上，如防雷接地、防雷网、避雷带等，按人工方法控制雷击，确保人们的生命和相关实验设备的安全。目前，防雷接地主要有两种，分别是基于超前充放电原理的防雷接地和基于反时限过流保护基本原理的防雷接地。^[13][14]

屏蔽技术是依靠安全网、维修箱等金属将被保护目标包围起来，从而隔离单脉冲磁场侵入的安全通道。这种方法可以有效防止电磁脉冲辐射源对电子产品的影响。^[13][14]

均压技术可以有效防止导电体短路故障的风险，也可以避免高电位反击的发生。在发生雷击时，可利用高压避雷器非线性电阻的作用，完成通信和供电系统线路之间的瞬时等电位连接及其接地保护。如果金属材料设备不能连接接地保护，可使用地电位差平衡装置进行连接。如果是根据雷电流量，建筑物内的金属材料设备可以继续保持等电位连接，防止侧短路故障充放电。^[13][14]

接地主要是将雷击的雷电流从雷击中释放到大地的过程。只有保证良好的接地装置设计，才能有效降低引下线工作电压。防止或减少雷击的发生。^[13][14]

在使用防雷接地时，可采用金属棒、杆或电杆作为安装部件，在安装时，应将引出导线或接地设备与防雷接地连接。在焊接过程中要注意适当的焊接，并确保设备的坚固。通常，最小的引下线直径是8毫米。若为引下线，所选用的钢材为镀锌钢板，其厚度应大于4毫米，断面应大于48毫米。如果是在混凝土柱子上安装避雷针，可以按间距原则选用混凝土柱子上的钢筋作为接地线。一般来说，要保证接地装置线材的原材料是直的，不宜过长，也尽量不要弯曲，这样才能传递和传递电流的实际效果。在使用防雷接地线的环节中，需要牢固、稳定。^[13][14]

在高压避雷器的使用中，可用混凝土或金属材料将其安装在货架上，作为防止线路和电气设备受到雷击的主要保护措施。安装高压避雷器时，应保证其与路面持续垂直。安装排气管式高压避雷器时，应注意设备之间的安装间距。在保证设备安全的同时，还需要使其不易影响其他电气设备。^[13][14]

一般来说，防雷网线的原材料是12-14mm的圆钢。在防雷网线安装在屋顶前，必须先把防雷网线的问题处理好。另外，还要精确地丈量它的长度，保证每个网线都与大楼的周边相符合。对混凝土结构房屋，选用混凝土橡胶支座作为防雷网底座，并固定防雷网。对于避雷网的选择，网格图的总面积必须与避雷类型的总面积相同。确保网格图的总面积小于10mmx10mm。同时，防雷网也可以选用直径8-12mm的镀锌圆钢。网格图和网线必须采用电焊焊接。^[13][14]

对于建筑的地面系统，主要由接地线和接地线组成，在使用接地系统的过程中，工人必须仔细调查周围环境。对于比较潮湿、寒冷或腐蚀性比较大的地方，在处理时要使用热。在采用接地设备时，必须遵守有关的规则。若在安装时未作相应的标志，应符合既定的规定。如果在安装过程中没有相应的标记，则应确保原有接地设备的埋设深度大于0.6mm。在安装了接地装置后，为了更好的了解和了解它的工作状况，可以设立一个监测站，充分利用接地系统的有效性。^[13][14]

闪电的温度一般在三万度以上，是太阳表面温度的五倍，同时还造成高压。在高温高压条件下，空气分子会发生电离，等它们重新结合时，其中的氮和氧就会化合为亚硝酸盐和硝酸盐分子，并溶解在雨水中降落地面，成为天然氮肥。据测算，全球每年仅因雷电落到地面的氮肥就有四亿吨。如果这些氮肥全部落到陆地上，等于每亩地面施了约二公斤氮素，相当于十公斤硫酸铵。^[25]

闪电发生时，地面和天空间电场强度可达到每厘米万伏以上。受这样强大的电位差的影响，植物的光合作用和呼吸作用增强，因此，雷雨后一至二天内植物生长和新陈代谢特别旺盛。有人用闪电刺激作物，发现豌豆提早分枝，而且分枝数目增多，开花期也早了半个月;玉米抽穗提早了七天;而白菜增产了百分之十五至百分之二十。不仅如此，如果作物生长期能遇上五至六场雷雨，其成熟期也将提前一星期左右。^[25]

臭氧是地球上生物的保护伞，它可以吸收大部分危害生命的紫外线，使生物免遭伤害。空气中少量的臭氧，可以起到消毒杀菌、净化空气的作用。臭氧一般仅存在于高层大气中，但雷雨后，低空也会有微量的臭氧，使得空气格外清新。^[25]

地球上平均每秒有一百次闪电，一次闪电约释放八千瓦小时的电能，因此，每年全世界的雷电约放出二百五十亿千瓦小时的能量。遗憾的是，人类目前还无法对它加以利用。^[25]

雷公司掌天庭雷电。后来错击死了一位孝顺的寡妇。寡妇丈夫死的早也没儿子，家境贫寒，与，堂上老姑相依为命不肯改嫁。有一次，她的老姑病了，很想食肉。她左思右想，就想起古时有“割腕供姑”的事，便将手股上的肉割下来，煮熟去孝敬她的老姑。她的老姑误以为媳妇不孝敬，把买来的好肉留起来自己吃，近皮的肉煮来孝敬她。她就叫骂起来，还请了五雷要将她的媳妇打死。怎知五雷真正应命了，猛然地一声，把她的媳妇打死了。将殓时才发现她媳妇的股上割下一块肉，尚有血疤，她这时才猛醒反悔。然而人已被击死，又无法可叫她活过来。她就啼哭哀求着雷公，度她的媳妇超生，而雷公也后悔自己的不审慎，昕了那老妇人的一面之词，竟错击死好人。于是雷公就奏了玉皇，请命将这个寡妇，赐为电母。在它未发雷之前，电母可以放光，先明亮世间的善恶，以明黑白，以免再错击人。所以现在呜雷的时候，先有闪电。^[28]

雷王、闪王两兄弟经常打架，父母很不满意。有次，父亲要雷王去采云来给他洗脸，乘机用金子把他钉在空中；母亲要闪王去砍树来盖屋，树倒下来夹住了他的脖子，母亲用盘子把他罩在空中。但他两人还是骂架，雷王边骂边吐口水，就成了雷雨；闪王边骂边吐火焰，就成了闪电。星星是钉雷王的钉子，月亮是罩闪王的盘子。^[29]

流传在中国湖南溆浦一带。相传有位叫火闪的贤淑妇女，。因为倒泼冬瓜籽，被雷公误认为是白米饭便，一雷将火闪活活劈死。火闪冤魂不散，向玉帝告状，要求平冤。太白金星查明实情。玉帝给火闪还魂复尸，不仅封其为“火闪娘娘”，还赐她一双千里眼，审察人间好坏。从此，雷雨天里总有长长的火电照来照去。^[30][31]