电闪雷鸣是雷暴天气中伴随发生的天然现象,本质上是强烈的放电经过及其产生的声学效应造成的。其形成缘故可以分解为下面内容多少关键步骤:
1. 雷暴云(积雨云)的形成:
需要强烈的上升气流。温暖的、潮湿的空气(通常来自地表)由于受热或其他气象条件(如冷锋)而快速上升。
上升经过中,暖湿空气逐渐冷却,其中的水蒸气达到饱和情形并凝结成小水滴,形成云。
在强烈上升气流的影响下,云会进步得非常高(可达10公里以上),顶部可以进入温度远低于冰点的高空(-15°C 到 -60°C)。这时,云体上部由冰晶、雪花、过冷水滴(温度低于0°C但仍为液态) 组成,中下部由水滴、冰雹(霰) 组成。
2. 云内电荷的分离与积聚:
这是形成闪电最关键的一步。在雷暴云内部,剧烈的上升和下沉气流、水滴、冰晶、冰雹之间发生频繁的碰撞、摩擦、破碎和冻结等复杂经过。
在这些经过中,不同大致、形态的粒子(主要是冰晶和较重的冰雹/霰粒子)会携带上不同极性的电荷。一个广为接受的学说是:
较轻的冰晶(带正电荷) 被强烈的上升气流带到云的上部。
较重的冰雹/霰粒(带负电荷) 则在中下部下沉或聚集在云的下部。
结局:云的上部积累了大量正电荷,云的中下部积累了大量负电荷。云底靠近地面的一小块区域也可能带上少量正电荷。
这样,在云内部(正负电荷区之间)以及云底负电荷区与地面之间,就形成了非常强大的电势差(电压差),范围可达几百万伏特到十亿伏特。
3. 空气的击穿与闪电通道的形成(放电):
当云内或云地之间的电场强度超过空气的介电强度(大约每米300万伏特)时,原本是绝缘体的空气就会被击穿,形成一条导电的等离子体通道。
闪电经过: 通常始于云内负电荷区域向下进步一条电离的、阶梯状的先导通道(负先导),它以接近光速1/3的速度曲折向下探索接近地面(肉眼不易察觉)。
当负先导接近地面(或地面上较高的物体)时,地面上的正电荷会被强烈吸引向上进步上行先导。
当向下进步的负先导与向上进步的上行先导相遇连接时,就建立了一条完整的、连接云底负电荷区和地面的低电阻通道。
随后,沿着这条已建立的通道,发生极其强大的回击放电:云中储存的巨大负电荷瞬间涌入通道,形成我们肉眼看到的明亮耀眼的闪电(主闪击)。这个经过电流极大(可达数万安培),温度极高(瞬间可达约30,000°C,是太阳表面温度的5倍)。
一次闪电通常包含多个(3-4次甚至更多)这样的“先导-回击”经过,时刻间隔非常短(几十毫秒),因此肉眼看起来闪电是闪烁的。
4. 雷声的产生:
闪电回击通道中巨大的电流在极短时刻内(微秒级)将空气加热到极端高温(约30,000°C)。
高温导致通道内的空气急剧膨胀,其速度远超音速,形成强大的冲击波。
冲击波迅速向四周扩散,并逐渐衰减为剧烈的声波,这就是我们听到的雷声。
雷声特点:
轰隆声/炸裂声: 闪电通道通常不是直线而是分叉的,长度可达数公里。声音从通道的不同部分传到我们耳朵的时刻有细微差异,加上回波效应,就形成了持续、低沉的轰隆声或炸裂声。
先见闪电后闻雷声: 由于光速(约每秒30万公里)远大于声速(约每秒340米),因此我们总是先看到远处的闪电,过一段时刻(比如距离3公里,约9秒后)才听到雷声。根据看到闪电和听到雷声的时刻差,可以估算雷暴离我们的距离(时刻差秒数 ÷ 3 ≈ 公里数)。
拓展资料来说:
电闪雷鸣形成的核心缘故是雷暴云中强烈的上升气流导致冰晶和冰雹碰撞分离电荷,形成强大的电场,最终击穿空气引发剧烈放电(闪电)。闪电瞬间产生的高温使空气急剧膨胀,产生冲击波并衰减为剧烈的声波(雷声)。
这一个复杂的物理经过,涉及流体力学、静电学、等离子体物理和声学等多个领域。下次看到闪电听到雷声,你就可以想象云层里那场激烈的电荷风暴和瞬间迸发的巨大能量了!若你在户外遇到雷暴天气,请记住:看到闪电后立即寻找安全庇护所,由于雷声可能几秒后就到。