閃電小常識

細說閃電

建立於 2010-10-07, 週四
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 30000K,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).]

 

Monday the 10th. ISUAL. All rights reserved.