大气电场雷电及球状闪电的构成机理[精解]

大气电场雷电及球状闪电的构成机理[精解] 大气电场、雷电及球状闪电的形成机理(23) 罗于根 本文从分子的角度，结合宇宙射线，去解释大气电场、雷电及球状闪电的形成机理，以及如何 防范球状闪电对人体的伤害。 1( 引 言 绚丽多彩的闪电曾使人类产生无限的遐想，创造了无数的神话故事，神秘莫测的球状闪电还成为创造科幻小说的题材。自从1752年富兰克林发现天上的闪电与电池产生的电流具有相同的性质之后，人们经过二百多年的探索，对雷电的认识不断得到深化，产生了感应起电理论、温差起电理论、大水滴破裂起电理论、冰的融化起电理论等，可是这些理论还是没有搞清形成雷电的本质，而大部分的人还认为雷电是空气摩擦产生的。 实际上雷电是由多种条件共同作用的结果，除了与物理条件有关外，还与宇宙射线、大气分子结构、地磁场等都有一定关系。大气电场是产生雷电的初始条件，当气温升高，地受热，带有正电荷的水分子就能不断上升，由于高空寒冷，水汽就凝结为水珠或冰晶，电荷就能得到聚集，当聚集速度过快来不及释放时，就会在云、雨区产生强电场，强电场击穿空气放电，这就是形成雷电的本质。球状闪电应当是超强放电后，产生了一氧化二氮的结果。 2(1大气电场形成机理 宇宙射线(大部分来自于太阳，主要成份为质子和电子)是产生大气电场的初始条件，大气的成分及气温是产生大气电场的第二个条件。 干洁大气主要成分(容积百分比)为: N(78.084 %)、O(20.948 %)、其次为: Ar(0.9342 %)、22 [4]CO(0.032 %)、HO等。其中水汽在大气中变化很大，一般在1%,3%，在热带可达4%，而在22 两极则不到0.1%，并且绝大部分水汽集中在低层。 大气中的N 、Ar分子与宇宙射线中的质子与电子都很难结合在一起，它们都呈电、磁惰性。2 ,O分子两端有带磁性的空轨道，它能靠磁场力吸引宇宙射线中的电子形成O离子，只是磁场引力22 ,相对电场力要弱，所以O离子的稳定性比较低。 2 HO是极性分子，它没有空轨道，所以它不能接受电子，HO分子的带负电一端能吸引宇宙线22 ，，,中的质子形成HO离子，因为电场引力相对磁场引力要强得多，所以HO离子的稳定性要比O332离子高得多。 ,,宇宙射线中的电子大部分被O截留形成O，现在地球处在温暖期，O稳定性比较低，因此222 ,,大部分O在空气对流过程中被地表的植物、建筑等物体吸收，引起大气O含量降低，并使地面带22 弱负电。 ，而大气底层的水汽能大量截留宇宙射线中的质子，HO含量自然就高，大气正电荷就超过负电3 荷，这就是现在大气电场为什么总是带正电的原因～ ，，那为什么HO离子在空气的对流过程中，被带弱负电场的地面吸引下来,这是因为HO(分33 ，子量18.023)离子比O与N(分子量分别为28.013、31.9988)分子的质量都小得多，HO就受空223气的浮力作用不断往上“爬”，增加正电荷的留空时间，这在晴天时能使地表面大气产生120伏/米 ，左右的电场。当地表温度降低，HO与HO相互凝结成水珠下沉，会引起大气电场暂时性下降。32 ，地面上空随着高度的上升，气温不断的下降，水汽含量自然也下降，HO离子含量也跟随着下3 降。这就是进入高空后，大气电场为什么很快降低的原因～像10公里高空处的电场值仅为地面的3%即约4伏/米。 因此大气带正电，地壳带负电的本质，不是内范艾伦辐射带带正电，引起大气带正电，也不是闪电的反向充电形成的(闪电只将雷云中的正电荷引向地壳，而不是将地壳的正电荷引向雷雨云)， ，而是大气中HO分子截流了宇宙射线中的质子形成了HO离子的结果。 23 ，晴天大气电场还与纬度，时间，陆、海面，冬、夏季等有关，这主要是水气含量高低与HO3离子的上升与下降引起的，与宇宙射线的强度、空气流动速度也有一定关系。 当然地面大气中还会产生带正、负电荷的重离子，因为重离子不容易升入高空，因此重离子对雷电的产生贡献不太大。 2(2 雷电的形成机理 当天气变热，地表面受热温度升高，并且初始风速也很小，有些地方水汽含量就会增加得快一些，引起大气密度降低、气流上升，同时周围的热空气不断填补到上升气流的下部。因为HO与2 ，,，,HO比O、O与N质量都小得多，所以HO与HO比O、O与N的上升的速度都要快。 322223222 当潮湿的热空气进入高空后，由于对流层中、上部气温很低(6km高度时可达,8?左右)，HO2 ，，,与HO就会凝结为水滴以至冰晶，同时HO得到富集，雨云聚集区产生正电场，相对重的O就332会被留在云层中下部使云层带负电，这就是打雷前上部云层为什么总是带正电，下部云层总是带负电的道理(见图2 )～当富集速度过快来不及释放电荷时，就会在云层上中部形成正强电场，下中部形成中等负电场。 云层与云层之间的接触放电: 当云层之间电势不大并且相互接近时，会在云层之间进行接触放电。云层与云层之间接触放电， ，,是HO与O的直接中和反应，反应接触面积很大，反应产生的能量容易释放，所以云层与云层之32 间接触放电通常只看到发光而听不到爆炸声。 云层与云层之间的远距离放电或云层与地面之间的远距离放电: 上云层的正电荷与下云层的负电荷之间的远距离放电，或上云层的正电荷与地面之间的远距离放电，因为电势强大而激发出电流通道，因电流通道相对较小，所以这种放电是爆炸性的。 空气中O、HO、N等都是电中性分子，击穿场强很高，并且初始电离能分别达到12.2ev、12.5ev、222 [2]，15.8ev左右，雷云中的电场没有办法使它们电离。HO离子电离出质子只要很低的能量，所以只3 ，，有大气中HO离子里的质子参与导电，因HO离子只占下部空气成份很小的一部分，先导电流就33 ,，比较少，产生光柱也就比较暗淡，同时雷云下部，O离子的含量要比HO离子多，当先导电流行23 ,进过程中正电荷不断被O离子中和掉，质子数量就会降下来，先导电流就不能前进，放电前端正2 电荷需要一定时间才能得到补充，所以放电看起来是一节一节地伸向地面的(速度为每秒150km左[3]右)，这就是所谓的“梯级先导”，当“先导”离地面5,50米左右时，地面被强电场激发，引发 电子向上回击，引起O、N、HO等分222 子相继被电离，这时通道里流动得最快 的是电子，因电子的质量只有质子的 1836分之1，所以回击的速度变得非常 快，可达5万公里每秒。在很短的时间 内，强电场击穿空气后，引起多次强放 电——即打雷。打雷后产生的高温等离 子体，加快了水汽的快速上升，引起雷 雨越下越大，直到水汽含量降低、地面 冷却才减弱(龙卷风内放电机理与雷电 形成是相同的)。 如果潮湿的气流由西向东运动，那么受地磁场的切割作用，正电荷就加快向上移动加速雷电的产生，这就是西北风时容易打雷，东南风不容易打雷。但初始风速必须很小，否则不易大量聚集带正电的水汽。 2(3 球状闪电的成因 由于N的结合能很高，不容易分解，因此轻度放电只能产生O(臭氧机就是用轻度放电的方23 法产O);中等强度的闪电既能产生O，也能产生NO(NO在空气中会很快氧化为NO);如果闪332电非常强烈时(温度可达28000?)，在超高温的通道内，就会产生另一种化合物NO(一氧化二氮)。2这是因为当温度高达28000?时，O、N都会电离，完全分解为O、N单原子，加上空气中的N222含量超过O的双倍，因此不容易产生NO，更容易形成NO。 22 在常温下NO是稳定的无色有甜味的气体，但强烈放电后还在发光状态下(也就是还在化学反2 应过程中)的NO会分解为O和N。NO分解反应释放出能量，产生辉光与的爆鸣声，声音主要2222 是由2个N复合成N产生的，因为N复合为N能量高速度快。 22 工业上NO是由具有爆炸性的NHNO加热到220?分解而制得，加热时每个NHNO分解出243432个无能量的HO，因此从理论上说NHNO的爆炸性已经转移到NO的“身上”， 并且得到浓缩，2432 只是通常情况下NO不管是气态还是液态都比较稳定，不显爆炸性。 2 当发光状态下的NO气团接触到人的头发、衣物、烟囱里的烟灰等易燃物时，易燃物抢走NO22里的O，会加速NO里2个N复合为N的爆炸性连锁反应，瞬间释放出很大的能量，这是引起球22 状闪电爆炸的本质。 因此人的头发或衣物不可碰到球状闪电，否则将为发生爆炸的危险，当球状闪电靠近人体时可轻轻的吹开它，或逆风漫漫的远离它，不能快速的离开，否则球状闪电有可能随着气流跟着人一起跑。只要球状闪电不碰到易燃物，发生爆炸的可能性就不大，它会在空气中随着NO分解反应，最2后NO会漫漫消耗殆尽。 2 一般超强放电都会产生NO，但产生球状闪电的机率就低得多，产生球场状闪电的条件除了超2 强放电，还要相对小的气流及不能有大的雨，否则就不可能产生球状闪电。 如果出现球状闪电危及设施安全时，有条件的话可以喷清水驱除，这应当是安全的，因为清水不会引起球状闪电爆炸，还有降温作用，含有机物的水则不可用。 球状闪电虽然是个发光球，但温度不可能很高，如果温度很高，它的密度就很低，这会引起球状闪电快速上升。球状闪电通常是电中性的，即使带电所带的电荷也是很少的，否则它会对任何物 体都会有吸引力，这也是避雷设施对球状闪电没有防护作用的原因～因此球状闪电应当叫“危险NO2火球”比较合适。 有人认为球状闪电可能是等离子球，这种说法可能性很低，因为在一个大气压下，一个等离子体发光球很难保持几秒钟，更不可能连续几分钟发光，等离子球碰到易燃物发生爆炸也说不通。 3( 结论 因此大气电场的产生，是大气中的O、HO分子分别截流了宇宙射线中的电子与质子形成了22 ,，,,O与HO离子，因现在地球处在温暖期，O稳定性差，加上大部分O通过空气对流交换进2322 ,，，入地面，使地面带负电，引起大气O含量偏低;HO稳定性高，加上HO比O与N轻，HO233223，，受空气的浮力作用不断往上“爬”，增加正电荷的留空时间，引起HO含量偏高，大气正电荷3 的总量就超过负电荷，使大气电场带正电。 ，雷电是上升的HO与HO在高空受冷却作用相互快速凝聚成水滴或冰晶，集合了大气中大量32 的正电荷，使局部雨云区产生正强电场的结果。 球状闪电应当是超强放电的通道里，产生了NO气体，还在发光状态下的NO气体，能分22解为O和N，同时释放出能量，发出辉光与爆鸣声。当发光状态下的NO气团与易燃物接触，222 易燃物抢走NO里的O，引起NO里2个N复合为N的爆炸性连锁反应。 222 4( 检验 ，晴天时架空长导线，用万用表就可测出大气中的正电场，这个正电场主要来自于HO与导线的3电荷交换，只有一小部分直接来于高空的质子，因为能直接进入到地面附近的质子已经很少。 球状闪电现象，可经过超强放电产生，用光谱其中的成分，通过收入气体分析成份可能很难。球状闪电的爆炸性，可往放电火球里喷点碳粉测试，做这个试验一定要主意安全。 我想凭现在的技术，也能验证球状闪电现象。 参考文献 [1] 中科院上海天文台( [2] 车云霞，申潘文，《化学元素周期系》 天津，南开大学出版社(1999( [3] 华南师大物电学院( [4] 转贴