闪电在农业中的作用

闪电在农业中的作用 郭 延 生 (长春工程学院基础部 长春 130012) 1．闪电的形成 闪电是带电雷雨云的强电场引起的一种大气击穿 的放电现象。到目前为止，人们对雷雨云的起电及其 放电机制有各种各样的解释，其中普遍为人们所接受 的一种解释是 ：在天空阴霾或暴雨将临的夏天，随着地 面水分的加速蒸发，空气中的水汽不断冷却凝结成水 滴，这些水滴在天空中形成大块 云团；同时 ，水分蒸发 形成气流，在气流快速上升的过程中，气体分子之间、 云粒子之间、气体分子与云粒子之间的摩擦以及相互 之间的频繁碰撞使云团内聚积起大量的正负电荷。 通常雷雨 云中的电荷是这样分布的：大量正电 荷聚集在云层上部 ，大量负电荷聚集在云层中下部， 少量正电荷分布在云层最底部。随着聚集电荷的增 多 ，在雷雨云内不 同部位之间以及云层 与地面之间 形成很强的电场。电场强度平均达到每厘米数千伏 特，局部区域可高达每厘米 1万伏特以上。如此之 强的电场足以将雷雨云 内部或外部 的大气层击穿 ， 于是在雷雨云内不同云层之间以及云与地面之间就 会产生击穿大气的放电现象，并伴随隆隆的巨响，放 射出耀眼的光芒，这就是人们所说的闪电(雷电)。 当然，由于闪电难以观测，所以这些解释还都只是一 种理论推测 ，尚未在实际观测 中得到直接的证实 。 闪电按照其发生部位的不同，可分为云内闪电、 云间闪 电、云地闪电、云空闪电等几种 。顾名思义 ， 它们分别是指发生在雷雨云内部、云层之间、云层与 地面之间、云层与无云空气之间的大气击穿放电现 象，其中云内闪电最为常见；如果按闪电的外观形 状 ，则可将其分为线状闪电、球状闪电、带状闪电、联 珠状 闪电等等。线状闪电最 为常 见，它像树干上生 出的许多树枝一样 ，能在空中快速曲折地行进 ；球状 闪电较为罕见 ，其外形呈球形 ，直径为几厘米到几 十 米不等 ，有红色、桔黄色和绿 色的；带状 闪电的通道 宽约十几米 ，蜿蜒 曲折 ，看上去似一条巨大的飘带 ； 联珠状闪电似一长串佛珠般的发光点从云底伸向地 面，故又称链状闪电。 2．闪电的能量 从能量的角度来看 ，雷雨云积聚电荷的过程 ，实 际就是积累能量 的过程。随着 电荷数量的增 多，电 荷所激发的电场越来越强 ，最后空气层在强大 的电 场作用下发生击穿放电，即产生闪电，其本质就是一 次能量的释放过程。并且闪电所释放出来的能量十 分巨大 ，曾有人作过这样的估算 ：一次大规模闪电放 电的电压约为 5000万伏特 、电流峰值可高达几万安 培，有时甚至超过 20万安培，由此得到平均电功率 为 5×10 W；假设云层中闪电持续时间为 1秒钟(可 能还会更长些 )，那么在这段时间内所产生(消耗)的 电能大约是 1．4×10 kW·h(或约为 5×10 J)。这个 数值十分 巨大 ，以至于当该能量在直径只有 几厘米 (通道直径一般为几厘米到几米 、长度从数十米到数 十公里)的闪电通道内通过时，通道温度能够迅速升 高至 30000℃以上 ，几乎使通道中的空气完全 电离 ， 这就是为什么在发生闪电时人们能够看到耀眼白光 的原因。炽热的高温不 仅能使通道 中的空气 电离 ， 还会使空气猛烈膨胀，在瞬间产生 50～200个大气 压力，形成冲击波。就像高能炸弹爆炸一样，冲击波 以5km／s的速度向外扩展，其破坏半径可达数米，甚 至是数十米，并发出震耳欲聋的隆隆轰响。 3．闪电与农业 因为闪电的能量巨大，所 以它常常给人类带来 灾难性的破坏，比如击毁建筑物、引起森林大火、造 成人畜伤亡等等 ，人类不得不采取各种各样的措施 对闪电加以防范 。不过 ，大 自然 中不能没有闪电，地 球上的生命现象也不得不依赖于闪电。 早在远古时代，原始大气中就有小分子的有机 其他 一些运动项 目中同样含有许多物 理学原 理。比如 ，为什么运动员在环形跑道上总沿着逆时 针方 向运动?投掷项 目中的最佳 出手角度是多少? · 6O · 跳远运动员为什么在腾空后有跨步动作等。实践也 已经证明，利用物理学原理和计算机模拟可帮 助运动员改进不足 ，提高成绩。 现代物理知识 维普资讯 http://www.cqvip.com 勒 纳德 与斯塔 克 程 民 治 (巢湖学 院物理 系 安徽 238000) 在物 理学 精英之 林 中，勒纳 德 (PhiliPP E．A． Lenard，1862～ 1947)和 斯 塔 克 (Johannes Stark， 1874～1957)属 于极 少数非常特别的人物。他们 的 前半生有着辉煌 的科学经历 ，才华出众 ，硕果 累累， 分别摘取了崇高的诺贝尔物理学奖的桂冠。但是后 半生由于私欲急剧膨胀 ，最终使他们沦落为不可饶 恕的历史罪人，成了科学界的败类，几乎完全乏善可 陈。以至于许多史家学者往往由于厌恶，在著述中 根本不愿提到他们。为了使科学界能够从中吸取深 刻的教训 ，使警钟长鸣 ，笔者特拟就勒纳德和斯塔克 的科学业绩尤其是他们的后半生追随纳粹的所作所 为 ，作一简要的介绍。 一 、 辉煌的科学经历和卓越的科学贡献 综观诺 贝尔物理学奖的百年历程 ，如果以获奖 者的群体传记作为研究对象，我们不难发现，物理学 家的成功都有着基本相 同的主观因素和客观因素 。 例如 ，他们从小就热爱科学 ，具有厚实 的基础教育 、 科普教育和研究训练的基础 ；有着 良好的社会背景 、 文化素养、团队精神和爱国情怀，以及刻苦钻研、锲 而不舍的顽强精神；他们中有的人在名师的指导下， 善于继承和吸收他人 的成果 ，在综合的基础上大胆 进行创新 ；有的人长于提出假设 ，精 于新实验 ， 取得开创性的科学结论 ；或者勇于开拓新领域 ，研究 新问，创建新学科，等等。作为实验物理学家的勒 纳德和斯塔克 ，当然也无例外地属于其中的一种。 1．素“以定见胜天，仗毅力克难”的勒纳德 勒纳德 1862年 6月 7日出生于匈牙利的普雷 斯堡 (Pressburg，今斯洛伐克 的布拉迪 斯拉发)的一 个富裕的葡萄酒制造商的家庭 。早在 童年时 ，他的 祖母就给他灌输了对昔日“伟大人物”的崇拜之情， 这深 刻地影 响 了他 的一生。从 少年 时代 开始 ，勒 纳德就酷爱数学和物理学，并在家中进行了物理和化 物存在。由于各种宇宙射线的激发，特 别是闪电以 其强大的辐射能量 ，催促着有机分子 由小变大而成 高分子，而后又变成具有新陈代谢机能的有机体。 于是 ，海面上 出现 了地球 上最初 的生命——蓝 藻。 地球有了生命以后，闪电还在维护着这芸芸众生。 闪电通道中的高温产生出大量的臭氧，这些臭氧在 高空中形成的臭氧层是地球的保护伞，它成功地阻 挡住来自宇宙空间的紫外线，使地球生物免遭灭顶 之灾。闪电既对人类有害的一方面，也 对人类有种 种益处 ，特别在农业方面闪电更是功不可没。 我们都知道，大气中含有 73％的氮气，而氮肥 是植物生长所必需的三大肥料之一。因为氮气惰性 十足 ，虽豆科植物可以依赖其根瘤菌能够吸收到氮 ， 但如水稻、玉米、棉花等大部分农作物，则只能眼巴 巴地任氮气在空中飘来浮去，无法攫取。然而，当闪 电发生时，情况就不同了。 在电闪雷鸣之时，空气中的氮气和氧极易发生电 离现象，并化合成一氧化氮和二氧化氮，这些气体被雨 水溶解成为浓度很低的硝酸和硝酸盐 ，当其落至地面 时，稀硝酸立即与土壤中的矿物质化合，得到叫做硝石 l6卷 1期(总 9l期 ) 的生成物，硝石正是农作物生长和发育所不可缺少的 一 种优良化肥。统计资料表明，一年中闪电活动多达 10亿次，在这一霎间全球就大约有4千个闪电在发生。 据此进一步估算，每年每平方公里的土地上，由闪电所 制成的硝石在 100～1000克；一年中因闪电落到地面的 氮素就约有 4亿吨。闪电正像一个天然的化肥工厂， 在源源不断、永无休止地为人类提供无价氮肥。 闪电在农业方面的贡献还不止如此 。闪电产生 的强大声波 ，能够震松土壤 ，促进土壤中有机肥料的 分解，利于农作物的吸收。同时，空气中的一些细菌 和植物病毒也会在雷鸣电闪中被杀灭 。此外，闪电 还能够改变土壤的物质结 晶构造 ，并使土壤 中的各 种微量元素有所增加。根据植物 的栽培学理论 ，微 量元素是禾本科植物生长的促进剂，它不仅是植物 生长发育的必需 品，而且极少量的锌、钼 、锰和钴等 微量元素，可以对作物产量产生很大的影响，甚至可 使农作物的产量成倍或成几倍增长。根据这一原 理 ，科学家们提出了对土壤进行“电气施肥”的 ， 这种新所需的费用据说十分低廉，只相当于化 学肥料价格的十分之一。 维普资讯 http://www.cqvip.com