細說閃電
成功大學物理系

http://sprite.phys.ncku.edu.tw/new/other/lightning/lightning.htm

吳璧如 

一、 前言

        閃電(lightning)是神秘又危險的,並且是具有強大力量的。所以在古老的人類社會中,閃電與打雷(thunder)是人們所懼怕的,而且是與宗教和迷信有著密不可分的關係。古希臘人認為閃電是天神宙斯給予人們的懲罰;而古羅馬人以為打雷是天神用以警告人們的一些不當行為;在古中國則認為雷公專司打雷,其職責是來懲罰為非作歹的人。這些都在說明人們因懼怕而賦予打雷一個裁定善惡功能的期許。

        第一個有關閃電的研究是在18世紀中葉由班傑明‧富蘭克林(Benjamin Franklin)所完成的。在此之前的150年,人們已瞭解藉由摩擦兩種不同的物質可將正負電荷分開來,並儲存在簡單的電容器(primitive capacitor)中。提到富蘭克林大家想必聽過他在雷雨中放風箏的故事。經由他冒著生命危險而得出的實驗成果,證實閃電是帶電的,之後許多人在世界各地成功地重複了他的實驗,也因此有人喪生在雷擊之下。富蘭克林在後來的實驗中發現,若將一跟長鐵桿與地面接觸,鐵桿在雷擊之後會靜靜地將雷電導引至地底下去,頂多只出現一些火花。這種現象與其他東西遭雷,實在溫和太多,於是乎有避雷針的發明,使得人們可藉以避免雷擊。雖然如此,人們仍年年因閃電而蒙受巨大損失。在富蘭克林之後,閃電的研究一直沒什麼進展,直到19世紀末,當照相術(photography)和光譜學(spectroscopy)成為閃電研究利器後,人們對閃電才有更進一步的瞭解。

        閃電,一般最常發生於雷雲(thundercloud)之中,它是閃電的最大製造者,除此之外,閃電也出現於暴風雪(snowstorm)、沙暴(sandstorm)和位於噴發中火山(erupting volcanoes)之上的雲中;閃電也曾發生於晴朗的藍天,因而有晴天霹靂一詞。無論如何,雷雲與閃電有著最密切關係的。以下本文將逐一介紹雷雲的形成與種類,閃電的過程與閃電產生的光電現象。

二、 雷雲

        雷雲即一般所稱的積雨雲(cumulonimbus),在上一節提到它們是閃電最大的製造者,所以它的內部必帶有不同性質的電荷,而這些電荷是如何形成的呢? 當空氣上方有乾冷空氣,而下方有濕暖空氣時,由於下方的濕暖空氣密度較低,他們會迅速往上升,而上方密度大的乾冷空氣往下降。在這些水滴或小冰粒摩擦碰撞的過程中,於是帶有電荷。這樣的型態時常發生於冷鋒與暖空氣之交界處,或者當地面受到太陽強烈曝曬後,地面將熱量傳給附近低層的空氣。因此鋒面來臨會下雨(前者),而後者則是形成南台灣夏天午後雷陣雨的主因。雷雲的體積相當龐大,直徑可寬達幾十公里,雲頂的高度可從離地面5公里至20公里,也就是雲頂可突破對流層頂進入平流層(圖一)。

 

 

 

圖一、產生閃電之對流雲的大小。

 

        典型的雷雲雲頂高度約8-12公里。由於溫度梯度與重力作用,雷雲中有強烈的擾動,包括風、水和冰,使得雲中的水滴或冰粒帶有電荷。典型的情況是雷雲上半部帶正電荷,下半部的帶電淨值為負。在雷雲的底部有少部分正電荷存在(圖二)。整朵雷雲像一個電偶極(dipole)。

 

 

圖二、雷雲的電荷分布。

 

        由雷雲產生的閃電有四種型態:第一種是雲層內部的放電現象(Intracloud discharge),佔所有閃電的絕大部分;第二種是雲對地面的的閃電(Cloud-to-ground lightning),這是最廣為研究的類型,因為它們對人們的生命財產有極大的威脅性;第三種是雲與雲間的閃電;最後一型為雲對周圍空氣的放電現象(air discharge),通常發生在雲頂。而本文對閃電的介紹也是針對與人類生活息息相關,而且也是被研究最多的類型的雲對地的閃電。 

三、 雲對地的閃電

        在談閃電之前,我們先定義幾個名詞,首先是“一個閃光”(a flash),這是一整個放電過程(total discharge),時間約可持續0.2秒,一次閃電是由多個閃光所組成。一個閃光又可由三至四個稱為“一擊”(a stroke) 的放電單元所組成,每一擊持續的時間約為幾十個毫秒(millisecond)。而每一擊是由一個光度較弱的先遣放電過程(predischarge),稱為“先導過程”(leader process)與伴隨而來的回擊(return stroke)所構成。先導過程是由雲層傳遞至地面;先導過程之後是一個快速的、高亮度由地面傳播至雲層的回擊(return stroke)。每次閃光的第一擊,其先導過程稱為“階梯先導”(stepped leader)。階梯先導開始於雷雲下半部之負電區與底部的零星正電區之間局部的電崩潰(electrical breakdown),這使得原先存在於冰粒或小水滴上的電荷更加活潑(mobile),最後雲底的負電荷產生了足夠的電場,可以開闢一條通路到達地面,這個通路稱為階梯先導(圖三)。

 

 

圖三、階梯先導。[取自K. Berger and E. Vogelsanger, Bull. SEV. 57 1-22 (1966).]

 

        每個階梯(step)約長50公尺,階梯與階梯之間,間隔約50微秒(micro second),接著下一個階梯產生。階梯先導一般的平均速率為1.5×105公尺/秒,約為光速的兩千分之一。若雲底的高度是3公里,那麼階梯先導從雲到地面將花20毫秒的時間,其平均電流約為數百安培,這路徑的半徑約在1到10公尺,將傳遞約5庫侖的電量至地面。

        回擊(return stroke)是跟在階梯先導之後,當階梯先導之通路接近地面就像放了一根導線,強大的電流以極快的速度由地面流至雲層。這一個過程,稱為回擊,約需70微秒的時間。回擊的平均速率約為光速的三分之一至十分之一,典型的回擊電流強度約為一至兩萬安培。回擊的亮度相當耀眼,電流很快達到尖峰值(所需時間小於一毫秒)並持續幾毫秒,再落到峰值的一半,並再持續20至60微秒,然後電流減弱到幾百安培,並持續幾個毫秒。回擊的通路(channel)溫度可高達約30000°K,高溫使得通路中的氣體膨脹,於是使得通路急速膨脹,其膨脹速度超過音速,於是產生了音爆,這就是我們聽到的雷聲(thunder)。經過約5至10微秒,通路中的空氣與周圍空氣達成平衡,此時通路的直徑縮到約幾公分大小。圖四中粗的部分即為回擊。如果雷電的電流就此停止流動,那麼閃電之閃光也就結束,但若雷雲仍有放電的能力,將繼續有第二擊或第三擊。

 

 

圖四、閃電的過程,時間往右增加。[取自M.A. Uman “ Lightning” (1969).]

 

        第一擊之回擊結束後,當雷雲又擁有足夠之電場時,第二擊即開始。第二擊開始與上次回擊結束間隔約幾十毫秒。第二擊的先導過程稱為迅速先導(dart leader),如圖三。當回擊與迅速先導之間隔小於100毫秒,迅速先導將循著上一次回擊的路徑。當間隔時間大於100毫秒時,迅速先導會另闢路徑,但路徑上的某些點仍會變換到原有的回擊路徑上;當間隔時間大於幾百毫秒,那就是另一個閃光的階梯先導了。如同階梯先導,迅速先導的階梯長度也大約是50公尺。傳播速率比階梯先導快,速率約為2×106公尺/秒。而迅速先導傳遞至地面的電量也比階梯先導少。如同階梯先導,在迅速先導之後,接著第二次子回擊。有關階梯先導、迅速先導及回擊的資料列在表一。

 

表一、一般雲對地閃電的資料:攜帶負電由雲層傳至地面。 

    最小值 普通 最大值
階梯先導 階梯長度(公尺) 3 50 200
  階梯間的間隔時間(微秒) 30 50 125
  平均速率(公尺/秒) 1.0×105 1.5×105 2.6×105
  傳遞的電量(庫侖) 3 5 20
迅速先導 平均速率(公尺/秒) 1.0×106 2.0×106 2.1×107
  傳遞的電量(庫侖) 0.2 1 6
回擊 平均速率(公尺/秒) 1.0×106 2.0×106 2.1×107
  傳遞的電量 (庫侖) 
不包含連續電流
0.2 2.5 20
  尖峰電流(千安培)   10-20 110

         當雷雲仍有足夠電場可以放電,將會有下一個迅速先導,若雷雲已沒有能量進行下一次放電,此次的放電過程就結束,這整個放電過程就稱為一個閃光(a flash)。一個閃光通常包含三至四擊,而一次閃電將包含多次的閃光。

        雲層與地面間的閃電,最常見的是向下進行的先導(leader),並且通路帶的是負電,稱為負雷擊(negative stroke)。正雷擊(positive stroke)的發生會比負雷擊小,但攜帶的電量會比負雷擊大,曾測量到的最大值為300庫侖。正雷擊通常只有一擊,有第二擊的正雷擊相當少見。

        閃電,除了向下進行的閃電(雲層到地面),也有向上進行的閃電(地面到雲層),其階梯先導由地面延伸至雲端(圖五)。向上進行的閃電並不常見,它可攜帶正電荷或負電荷,兩種電性的先導都曾被觀測到。通常向上進行的閃電,都是由高的建築物頂端往雲層放電。向上進行的正閃電,並無回擊,並且只有一擊。而向上進行的負閃電偶爾會與向下進行的正閃電連結。

 

 

圖五、向上進行的閃電。[取自C.G. Kitterman, J. Geophys. Res. 86 5378-5380 (1981).]

 

        閃電除了常見的分枝狀閃電外還有其他形式:熱閃電(heat lightning)只有閃光而沒有雷聲;平版閃電(sheet lightning)是取其形狀命名,當閃電引發平板般的片段雲層發光,稱為平板閃電;另外還有念珠閃電(bead lightning)見圖六,它是因閃電的通路被截段,或發光呈現片段而產生念珠狀的閃電。 

 

圖六、念珠閃電。[取自M.A. Uman “The Lightning Discharge” (1987).]

 

四、 結語

        閃電是發生於一瞬間的,然而在這麼短的時間內,閃電已在雲層與地面之間來回穿梭多次。一次向下的負雷擊(negative stroke),先是負雷電由上而下至地面,然後強大的正電流由下而上回到雲端,並出現雷聲。從十九世紀末對閃電的研究蓬勃發展至今,閃電對人類而言,仍是具有強大摧毀力、不可捉摸的。雖然如此,閃電對地球上的生態平衡,扮演著重要的角色,例如:閃電會引發森林大火,但也對地球上的植物組成有很大的影響。閃電會擊中高大的樹木:在南美,他可維持高大的松樹與低矮樺樹間的平衡,如無閃電,樺樹將因陽光被遮斷而死亡。閃電每年造成上百人死亡,但它卻是生命之火,在地球誕生之初,閃電被認為是用以製造氨基酸的主要來源並且可維持大氣之臭氧層的平衡。每次閃電可釋放出百萬MeV的能量,最大的功率可達1012瓦,但如何收集仍是個大問題。閃電是一個複雜的自然現象,與地球的生物亦息息相關。經過一百多年的研究,人們對閃電的瞭解,仍相當有限。這個領域,仍有待去開發與努力。 

References:
1. M.A. Uman, “Lightning”, Dover Pub.. (New York 1969).
2. M.A. Uman, “The Lightning Discharge”, Academic Press. (New York 1987).

 

 

參考資料

狂暴大地--閃電

http://angelcity.idv.tw/world/thunder.htm

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