2009-07-13 23:14:12柚子
「天打雷劈」大揭密
絕大多數的閃電都發生在雷雨雲中，從雷雨雲的形成到雲層中電荷的產生，乃至於最後閃電發生，其中的過程究竟如何，科學家已漸漸掌握它發生的機制了！
文／盧衍良
審稿／成功大學物理系教授 許瑞榮
長久以來，閃電總是讓人感到恐懼，不過人們對於閃電的好奇也從來不曾停止。18世紀中葉富蘭克林首開先鋒探索閃電，開啟人類對閃電現象的了解，經過了數百年來不斷的研究，如今我們已漸漸了解閃電發生的機制主要是雲層中的雲粒子（通常是細微的水滴、冰晶或冰雹）碰撞，使得負電荷累積在雲層下方，並與地表形成電位差。隨著電荷累積越來越多，電位差也越來越大，當強大的電位能足以衝破雲層間或雲層與地表間的大氣隔閡時，便會以電流的形式釋放能量，並伴隨著產生光和聲音，這就是我們所見的閃電。
孕育閃電的雷雨雲
絕大多數的閃電都發生在雷雨雲中。當地表受到強烈陽光照射，會吸熱而升溫，進而加熱地表附近的空氣，使空氣受熱膨脹上升，上層冷空氣下降，形成熱對流（見右圖）；上升氣流把溫暖潮濕的空氣送到上空，這些暖濕空氣在高空遇到較冷的氣團，其中蘊含的水氣便凝結成雷雨雲（或稱為積雨雲）。當氣流持續上升，雲也就越積越高，直達更高更冷的高空，雲層中的水氣在此時會不斷累積，變成更大更重的水滴，有的甚至凍結成冰，等到空氣浮力無法支撐時，就會落下成為雨滴或是雪、冰雹。
雷雨雲中的電荷是如何累積的？理論之一主張，由於地球高空對地表存在約30萬伏特的高壓（電離層帶正電，地表帶負電），雷雨雲中較重而下降的冰雹與較輕而上升的小冰晶，都會受電離層的影響，極化成上負下正的電偶（見右圖）。在對流過程中小冰晶與冰雹相碰撞時，小冰晶上端的負電荷會與冰雹下端的部份正電荷中和，成為只帶正電的小冰晶，繼續往上升，而帶負電的冰雹繼續往下掉。最後，在雲頂聚集了正電荷，雲的下端聚集較多負電荷；此時，雲下端的地表也會因感應而帶正電荷（見下圖）。
由於夾在雲層和地表之間的空氣導電性極差，兩者之間的正負電荷無法立刻中和，但是當雲層和地表的電位差持續增加到了臨界點，雲地間的空氣就會被游離而發生閃電。
向下放電，再往上回擊
閃電發生的形式有很多種，一般較常見的閃電是雲對地閃電，其他還有雲中閃電、雲間閃電以及通常發生在雲頂的雲對周圍空氣的放電現象。閃電發生的過程非常短暫卻十分複雜，目前科學家比較了解雲對地的閃電。雲對地閃電是先由一個先遣放電過程（pre-discharge）引發（見動畫），透過光度微弱的帶電空氣做「先導」，稱為「先導閃擊」（leader stroke），由於它是一個個階段的前進，這個過程稱之為「階梯先導」或是「步進導閃」（stepped leader），每個階段的閃擊約長50公尺，時間間隔約為50微秒。階梯先導的平均速率約為1.5×105公尺/秒，是光速的1/2000。
階梯先導是一條游離通道，形成原因是雲層底部的負電荷與地表所帶的正電荷構成一電場，該電場從雲層底部逐漸往下游離空氣，使中性空氣分子解離為正離子和負離子，最後形成一條通道，而在階梯先導接近地表，與自地表形成的向上先導會合的那一剎那，地表累積的正電荷就沿著這條通路向上，形成回擊電流，串連整個閃擊。回擊的平均速率約為光速的1/3~1/10，其電流強度可達上萬安培，釋出的巨大能量可使內部溫度高達30000℃，遠高於太陽表面的6000℃，因而可加熱周遭的空氣產生強光與震波，於是就可以見到閃光與聽到雷聲。一個前導閃擊加上一個回擊可視為一個「雷擊」（a stroke），通常三、四個雷擊會組合成一個「閃光」（flash），而多個閃光則組成一個「閃電」。
階梯先導從雲端向下游離空氣，當前導接近地表那一剎那，與從地表形成的向上前導會合，一道回擊的電流就沿著這條通路向上傳遞，並出現閃光。我們所見的閃電是由多個閃光組成。（動畫製作：姚裕評）
閃電的巨大能量雖然對大自然造成非常大的影響，有時引發森林火災、有時破壞人類建設，但有時也會對自然環境有所貢獻。可惜的是，目前人類的科技還無法有效控制閃電的發生與否，也因此，如何避免遭受「天打雷劈」就成了人們關心的重點，下一篇我們將介紹避免雷擊與降低雷擊危害的方法，讓大家曉得這些方法的原理與應用。
閃電在大自然扮演的角色
閃電伴隨震耳的巨響，常常讓人感到恐懼。儘管如此，閃電對人類生活與大自然的平衡也有不可磨滅的貢獻。舉例來說，閃電可能引發林火，有助於清除林地中多餘燃料，防止災難性的大火發生；又因為閃電總會劈斷高大的樹木，例如松樹，使得較矮的樹種如樺樹得以獲取足夠的陽光而生存下來。
文／盧衍良
審稿／成功大學物理系教授 許瑞榮
長久以來，閃電總是讓人感到恐懼，不過人們對於閃電的好奇也從來不曾停止。18世紀中葉富蘭克林首開先鋒探索閃電，開啟人類對閃電現象的了解，經過了數百年來不斷的研究，如今我們已漸漸了解閃電發生的機制主要是雲層中的雲粒子（通常是細微的水滴、冰晶或冰雹）碰撞，使得負電荷累積在雲層下方，並與地表形成電位差。隨著電荷累積越來越多，電位差也越來越大，當強大的電位能足以衝破雲層間或雲層與地表間的大氣隔閡時，便會以電流的形式釋放能量，並伴隨著產生光和聲音，這就是我們所見的閃電。
孕育閃電的雷雨雲
絕大多數的閃電都發生在雷雨雲中。當地表受到強烈陽光照射，會吸熱而升溫，進而加熱地表附近的空氣，使空氣受熱膨脹上升，上層冷空氣下降，形成熱對流（見右圖）；上升氣流把溫暖潮濕的空氣送到上空，這些暖濕空氣在高空遇到較冷的氣團，其中蘊含的水氣便凝結成雷雨雲（或稱為積雨雲）。當氣流持續上升，雲也就越積越高，直達更高更冷的高空，雲層中的水氣在此時會不斷累積，變成更大更重的水滴，有的甚至凍結成冰，等到空氣浮力無法支撐時，就會落下成為雨滴或是雪、冰雹。
雷雨雲中的電荷是如何累積的？理論之一主張，由於地球高空對地表存在約30萬伏特的高壓（電離層帶正電，地表帶負電），雷雨雲中較重而下降的冰雹與較輕而上升的小冰晶，都會受電離層的影響，極化成上負下正的電偶（見右圖）。在對流過程中小冰晶與冰雹相碰撞時，小冰晶上端的負電荷會與冰雹下端的部份正電荷中和，成為只帶正電的小冰晶，繼續往上升，而帶負電的冰雹繼續往下掉。最後，在雲頂聚集了正電荷，雲的下端聚集較多負電荷；此時，雲下端的地表也會因感應而帶正電荷（見下圖）。
由於夾在雲層和地表之間的空氣導電性極差，兩者之間的正負電荷無法立刻中和，但是當雲層和地表的電位差持續增加到了臨界點，雲地間的空氣就會被游離而發生閃電。
向下放電，再往上回擊
閃電發生的形式有很多種，一般較常見的閃電是雲對地閃電，其他還有雲中閃電、雲間閃電以及通常發生在雲頂的雲對周圍空氣的放電現象。閃電發生的過程非常短暫卻十分複雜，目前科學家比較了解雲對地的閃電。雲對地閃電是先由一個先遣放電過程（pre-discharge）引發（見動畫），透過光度微弱的帶電空氣做「先導」，稱為「先導閃擊」（leader stroke），由於它是一個個階段的前進，這個過程稱之為「階梯先導」或是「步進導閃」（stepped leader），每個階段的閃擊約長50公尺，時間間隔約為50微秒。階梯先導的平均速率約為1.5×105公尺/秒，是光速的1/2000。
階梯先導是一條游離通道，形成原因是雲層底部的負電荷與地表所帶的正電荷構成一電場，該電場從雲層底部逐漸往下游離空氣，使中性空氣分子解離為正離子和負離子，最後形成一條通道，而在階梯先導接近地表，與自地表形成的向上先導會合的那一剎那，地表累積的正電荷就沿著這條通路向上，形成回擊電流，串連整個閃擊。回擊的平均速率約為光速的1/3~1/10，其電流強度可達上萬安培，釋出的巨大能量可使內部溫度高達30000℃，遠高於太陽表面的6000℃，因而可加熱周遭的空氣產生強光與震波，於是就可以見到閃光與聽到雷聲。一個前導閃擊加上一個回擊可視為一個「雷擊」（a stroke），通常三、四個雷擊會組合成一個「閃光」（flash），而多個閃光則組成一個「閃電」。
階梯先導從雲端向下游離空氣，當前導接近地表那一剎那，與從地表形成的向上前導會合，一道回擊的電流就沿著這條通路向上傳遞，並出現閃光。我們所見的閃電是由多個閃光組成。（動畫製作：姚裕評）
閃電的巨大能量雖然對大自然造成非常大的影響，有時引發森林火災、有時破壞人類建設，但有時也會對自然環境有所貢獻。可惜的是，目前人類的科技還無法有效控制閃電的發生與否，也因此，如何避免遭受「天打雷劈」就成了人們關心的重點，下一篇我們將介紹避免雷擊與降低雷擊危害的方法，讓大家曉得這些方法的原理與應用。
閃電在大自然扮演的角色
閃電伴隨震耳的巨響，常常讓人感到恐懼。儘管如此，閃電對人類生活與大自然的平衡也有不可磨滅的貢獻。舉例來說，閃電可能引發林火，有助於清除林地中多餘燃料，防止災難性的大火發生；又因為閃電總會劈斷高大的樹木，例如松樹，使得較矮的樹種如樺樹得以獲取足夠的陽光而生存下來。
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