“數(shù)”說(shuō)雷電

王海波

雷電是大自然神秘而壯觀的現(xiàn)象之一，很早就被人類觀測(cè)到并記錄下來(lái)。我國(guó)古代典籍《周易》中記錄了發(fā)生在公元前1078年的一次球形雷，這是世界上最早的雷電記錄。

在很長(zhǎng)的時(shí)間里，人們對(duì)雷電這種自然現(xiàn)象充滿了畏懼。其實(shí)，我們所謂的雷電，既包括閃電，又包括雷聲。1749年，富蘭克林用風(fēng)箏試驗(yàn)證實(shí)，閃電只不過(guò)是大氣中發(fā)生的一種火花放電現(xiàn)象。閃電通常由積雨云產(chǎn)生，發(fā)生的同時(shí)往往伴隨著雷聲。

閃電和雷聲都是常見(jiàn)的自然現(xiàn)象。它們雖然常見(jiàn)，但關(guān)于雷電的一些數(shù)字還是非常有趣的。

閃電有多快：并非3×108米/秒

通常情況下，雷電多是在人們沒(méi)有防備的一瞬間發(fā)生并完成的，所以，一直以來(lái)，雷電給我們的印象就是迅速、猛烈。

我國(guó)戰(zhàn)國(guó)時(shí)代的典籍《六韜·龍韜·軍勢(shì)》一書(shū)中對(duì)雷電的迅猛有這樣的描述：“疾雷不及掩耳，迅電不及瞑目?！边@句話也就是我們今天常說(shuō)的“迅雷不及掩耳”的出處。

從當(dāng)代科學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，真正稱得上“快”的是閃電，而非雷。雷的本質(zhì)是一種聲波，在空氣中的傳播速度大約為340米/秒。閃電的速度則遠(yuǎn)非這個(gè)量級(jí)。

關(guān)于閃電的速度的具體值，學(xué)者和專家們一直沒(méi)有得出比較確切的結(jié)果。很多人認(rèn)為，閃電的速度就是光速，也就是3×108米/秒；但也有不少人表示不認(rèn)同，并就此展開(kāi)了激烈的爭(zhēng)論。那么閃電到底有多快？它和光速是不是一回事呢？

我們以云-地閃電為例來(lái)分析一下閃電的發(fā)生過(guò)程。通過(guò)高速攝影儀可知，一個(gè)完整的云-地閃電其實(shí)是由多次連續(xù)不斷的放電過(guò)程組成的，這些放電過(guò)程沿著同一條通道，如同海浪一樣一波接一波，每?jī)刹ǖ臅r(shí)間間隔僅有百分之幾秒。每次放電一般包括先導(dǎo)和回?fù)魞蓚€(gè)過(guò)程：先導(dǎo)過(guò)程主要是為閃電放電建立電離通道，相當(dāng)于“鋪路”；當(dāng)先導(dǎo)閃電很接近地面時(shí)，就像接通了一根導(dǎo)線，強(qiáng)大的電流以極快的速度由地面流至云層，這個(gè)過(guò)程即為回?fù)?，約需70微秒的時(shí)間。如果云層還有足夠的電量，就開(kāi)始第二次的先導(dǎo)-回?fù)舴烹娺^(guò)程。一次完整的云-地閃電過(guò)程大約持續(xù)0.2秒。

由上述分析可知，閃電是一種放電現(xiàn)象，遵循一定的物理定律，它的移動(dòng)速度受到空氣電導(dǎo)率等很多因素的影響，與光速有著本質(zhì)的區(qū)別。

美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)的學(xué)者通過(guò)研究得出，閃電的速度為每秒1×105 ～1.4×106米，平均速度為4.4×105米/秒。

有關(guān)學(xué)者通過(guò)對(duì)多個(gè)閃電精細(xì)的科學(xué)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，閃電在不同行進(jìn)階段的速度也不同，如閃電先導(dǎo)過(guò)程的平均速度為1.5×105米/秒，約為光速的1/2000，而回?fù)暨^(guò)程的速度遠(yuǎn)大于先導(dǎo)速度，為光速的1/10～1/3。美國(guó)能源部給出的閃電速度為1.5×108米/秒，大致為光速的一半。

雖然上述數(shù)據(jù)不一定十分準(zhǔn)確；但可以確定的是，閃電的速度遠(yuǎn)低于光速，同時(shí)又遠(yuǎn)高于雷聲的速度。

之所以很多人認(rèn)為，閃電的速度就是光速，主要是把閃電發(fā)出的光傳播到我們眼中的速度當(dāng)成了閃電本身的移動(dòng)速度。

雷聲有多大——120分貝

一提到雷聲，人們也許馬上就能想到“震耳欲聾”“驚天動(dòng)地”等詞語(yǔ)，人們也常常用雷聲形容聲音的激烈、響亮，如“雷鳴般的掌聲”“歡聲雷動(dòng)”等?？梢哉f(shuō)，雷聲是自然界產(chǎn)生的最大的聲音之一。

那么，雷聲到底有多大呢？

當(dāng)閃電發(fā)生時(shí)，會(huì)放出大量的光和熱，沿途空氣被強(qiáng)烈加熱，水滴迅速氣化，體積驟然膨脹而產(chǎn)生沖擊波，使空氣產(chǎn)生猛烈的震動(dòng)。此時(shí)所產(chǎn)生的聲音就是“雷聲”。雷聲最高可以達(dá)到120分貝。這是個(gè)什么概念呢？1分貝是人類耳朵剛剛能聽(tīng)到的聲音；40～60分貝屬于人們正常交談的聲音強(qiáng)度；當(dāng)聲音達(dá)到70分貝時(shí)，我們就可以認(rèn)為它是很吵的，而且開(kāi)始損害聽(tīng)力神經(jīng)；而100～120分貝，比一列火車從身邊呼嘯而過(guò)的聲音還要大，正常人如果在這樣高分貝的空間內(nèi)待1分鐘或更久，就會(huì)暫時(shí)性失聰。所以，用“震耳欲聾”來(lái)形容雷聲，實(shí)不為過(guò)。

雷電有多頻繁——14億次/年

地球上的雷電活動(dòng)有多頻繁呢？這不僅是我們想知道的，也是雷電研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。多年來(lái)，很多專家和學(xué)者使用不同的手段和方法，對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了估算，但得出的結(jié)果不盡一致。

在研究中，雷電的頻繁程度除了用雷暴日數(shù)衡量外，我們還經(jīng)常用閃電的一些數(shù)據(jù)來(lái)表征，如閃電頻率（數(shù)）、閃電密度等。早在1925年，就有專家通過(guò)分析雷暴日資料，對(duì)全球閃電頻數(shù)做出了估計(jì)并得到廣泛認(rèn)可：在任何給定時(shí)刻，世界上都有1800場(chǎng)雷雨正在發(fā)生，每秒大約有100次閃電。

近幾十年來(lái)，閃電探測(cè)技術(shù)特別是衛(wèi)星閃電探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，給人們提供了以往地面觀測(cè)難以涉及區(qū)域的閃電觀測(cè)資料，從而對(duì)這個(gè)參數(shù)有了更準(zhǔn)確的估計(jì)：全球閃電的頻率約為每秒40～50次，全年總共發(fā)生約14億次的閃電。在北半球，夏季最容易發(fā)生閃電，但在赤道地區(qū)，閃電在秋季和春季會(huì)更頻繁出現(xiàn)。北極和南極地區(qū)因?yàn)楹苌儆欣钻囉?，因此，那里幾乎沒(méi)有閃電。

那么，世界上哪里的雷電活動(dòng)最頻繁呢？

研究認(rèn)為，雷電活動(dòng)最多的區(qū)域是非洲的剛果盆地。因?yàn)槟抢锟拷嗟溃乇頍崃砍渥?，空氣?duì)流多發(fā)，常年都有雷雨。

2003年，有關(guān)學(xué)者通過(guò)分析得出，世界最頻繁的雷電活動(dòng)發(fā)生在非洲的盧旺達(dá)，那里的閃電密度最大為每年每平方千米80次。然而在2004～2005年，剛果共和國(guó)東部的一個(gè)小山村基夫卡，因打破上述紀(jì)錄而成為世界閃電發(fā)生最頻繁的地方。這個(gè)小鎮(zhèn)離赤道僅有300千米，海拔975米，閃電之密集可謂史無(wú)前例，一年中，平均每平方千米發(fā)生閃電多達(dá)158次。

閃電有多強(qiáng)：比太陽(yáng)表面熱4倍

閃電的放電過(guò)程十分短暫，一般為50～100微秒（1微妙等于百萬(wàn)分之一秒），可以說(shuō)，是在一瞬間完成。其沖擊電流的平均值高達(dá)3萬(wàn)安培，最大電流可達(dá)30萬(wàn)安培。如此強(qiáng)大的電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)，其感應(yīng)電壓可以達(dá)到1億～10億伏特。電荷發(fā)生中和作用時(shí)會(huì)放出大量的光和熱，瞬間會(huì)將周圍的空氣加熱到3萬(wàn)攝氏度的高溫，是太陽(yáng)表面溫度的5倍。

我國(guó)建造的世界上最大的水力發(fā)電站——三峽水電站，其總裝機(jī)容量只有1次閃電功率的千分之一。一次閃電所產(chǎn)生的能量足以讓1輛普通轎車行駛大約290～1450千米，供一個(gè)家用100瓦的白熾燈泡連續(xù)工作3個(gè)月。當(dāng)然，閃電的電功率雖然很大；但由于放電時(shí)間短，所以閃電電流的電功并不算大。

然而，遺憾的是，正是由于閃電往往發(fā)生在一瞬間，而且發(fā)生方向難以預(yù)測(cè)，所以，現(xiàn)代科技還無(wú)法收集和運(yùn)用閃電的電能。

遭雷擊概率有多少——175萬(wàn)分之一

雷電因其強(qiáng)大的電流、炙熱的高溫、強(qiáng)烈的電磁輻射以及猛烈的沖擊波等物理效應(yīng)，能夠在瞬間產(chǎn)生巨大的破壞作用。人們一旦被其擊中，將會(huì)產(chǎn)生致命的后果。

從全世界范圍來(lái)說(shuō)，每年有4000多人遭雷擊，全世界人口為70億，平均到每個(gè)人，遭遇雷擊的幾率并不高，大約是175萬(wàn)分之一。不過(guò)，我們并不能因此而對(duì)雷電防護(hù)大意。因?yàn)榫唧w到不同的地域，各地的人被雷擊中的概率就有很大的差別，如美聯(lián)邦應(yīng)急管理局估計(jì)，當(dāng)前美國(guó)人均遭遇雷擊的概率為60萬(wàn)分之一。

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，遭遇雷擊的概率有明顯的城鄉(xiāng)差別。農(nóng)民長(zhǎng)期在農(nóng)田等開(kāi)闊的地方勞作，在雷電到來(lái)時(shí)，缺乏臨時(shí)躲避場(chǎng)所，周圍地勢(shì)平坦，相對(duì)而言，人體位置可能較高，加之農(nóng)民防雷知識(shí)相對(duì)缺乏，因而更容易被雷擊中。城市工作者更多是在室內(nèi)工作，城市建筑物防雷措施相對(duì)完善，遭遇雷擊的概率因而大大降低。

此外，遭遇雷擊的概率還跟性別有關(guān)。美國(guó)的一項(xiàng)研究就表明，男性比女性更容易成為雷擊的對(duì)象。這項(xiàng)研究通過(guò)分析1995～2008年間美國(guó)因遭雷擊而死亡的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，648名死者中82%為男性。另外一份于1999年完成的研究也得出了類似的結(jié)論。為什么男性比女性更容易遭到雷擊呢？美國(guó)氣象學(xué)家給出的答案是，在雷雨發(fā)生時(shí)，男性往往要冒雨干一些危險(xiǎn)性較大的事情，如打高爾夫球、踢足球等，而女性有更大可能待在安全地帶避雨。

除此之外，某個(gè)地區(qū)的居民遭遇雷擊的概率和當(dāng)?shù)氐纳盍?xí)慣、文化水平、建筑結(jié)構(gòu)等方面都有一定的關(guān)系。

【責(zé)任編輯】趙 菲