雷电

现象简介

雷电是伴有闪电和雷鸣的一种雄伟壮观而又有点令人生畏的放电现象。雷电一般产生于对流发展旺盛的积雨云中，因此常伴有强烈的阵风和暴雨，有时还伴有冰雹和龙卷风。积雨云顶部一般较高，可达 20 公里，云的上部常有冰晶。冰晶的凇附，水滴的破碎以及空气对流等过程，使云中产生电荷。云中电荷的分布较复杂，但总体而言，云的上部以正电荷为主，下部以负电荷为主。因此，云的上、下部之间形成一个电位差。当电位差达到一定程度后，就会产生放电，这就是我们常见的闪电现象。闪电的的平均电流是 3 万安培，最大电流可达 30 万安培。闪电的电压很高，约为 1 亿至 10 亿伏特。一个中等强度雷暴的功率可达一千万瓦，相当于一座小型核电站的输出功率。放电过程中，由于闪电通道中温度骤增，使空气体积急剧膨胀，从而产生冲击波，导致强烈的雷鸣。带有电荷的雷云与地面的突起物接近时，它们之间就发生激烈的放电。在雷电放电地点会出现强烈的闪光和爆炸的轰鸣声。这就是人们见到和听到的闪电雷鸣。很明亮的雷下雨时，天上的云有的带阳电，有的带阴电，两种云碰到一起时，就会放电，发出很亮很亮的闪电，同时又放出很大的热量，使周围的空气很快受热，膨胀，并且发出很大的声音，这就是雷声。

详细介绍

雷电种类

雷电分直击雷、电磁脉冲、球形雷、云闪四种。其中直击雷和球形雷都会对人和建筑造成危害，而电磁脉冲主要影响电子设备，主要是受感应作用所致；云闪由于是在两块云之间或一块云的两边发生，所以对人类危害最小。

直击雷就是在云体上聚集很多电荷，大量电荷要找到一个通道来泄放，有的时候是一个建筑物，有的时候是一个铁塔，有的时候是空旷地方的一个人，所以这些人或物体都变成电荷泄放的一个通道，就把人或者建筑物给击伤了。直击雷是威力最大的雷电，而球形雷的威力比直击雷小。

雷云形成

产生雷电的条件是雷雨云中有积累并形成极性。科学家们对雷雨云的带电机制及电荷有规律分布，进行了大量的观测和试验，积累了许多资料，并提出各种各样的解释，有些论点至今还有争论。

1 对流云初始阶段的“离子流”假说

大气中存在这大量的正离子和负离子，在云中的雨滴上，电荷分布是不均匀的，最外边的分子带负电，里层的带正电，内层比外层的电势差约高 0.25V。为了平衡这个电势差，水滴就必须优先吸收大气中的负离子，这就使水滴逐渐带上了负电荷。当对流发展开始时，较轻的正离子逐渐的被上升的气流带到云的上部；而带负电的云滴因为比较重，就留在了下部，造成了正负电荷的分离。

2 冷云的电荷积累

当对流发展到一定阶段，云体伸入 0℃层以上的高度后，云中就有了过冷水滴、霰粒和冰晶等。这种由不同相态的水汽凝结物组成且温度低于 0℃的云，叫冷云。冷云的电荷形成和积累过程有如下几种：

① 过冷水滴在霰粒上撞冻起电

在云层重有许多水滴在温度低于 0℃时也不会冻结，这种水滴叫过冷水滴。过冷水滴是不稳定的，只要它们被轻轻地震动一下，就马上冻结称冰粒。当过冷水滴与霰粒碰撞时，会立即冻结，这叫撞冻。当发生撞冻时，过冷水滴外部立即冻成冰壳，但它的内部仍暂时保持着液态，并且由于外部冻结放的潜热传到内部，其内部液态过冷水的温度比外面的冰壳高。温度的差异使得冻结的过冷水滴外部带上正电，内部带上负电。当内部也发生冻结时，云滴就膨胀分裂，外表皮破裂成许多带正电的冰屑，随气流飞到云层上部，带负电的冻滴核心部分则附在较重的霰粒上，使霰粒带负电并留在云层的中下部。

② 冰晶与霰粒的摩擦碰撞起电

霰粒是由冻结水滴组成的，成白色或乳白色，结构比较松脆。由于经常有冷水滴与它撞冻并释放潜热，它的温度一般比冰晶高。在冰晶中含有一定量的自由离子（OH-和 H+），离子数随温度升高而增多。由于霰粒与冰晶接触部分存在着温度差，高温端的自由离子必然要多于低温端，因而离子必然从高温端向低温端迁移。离子迁移时，带正电的氢离子速度较快，而带负电的较重的氢氧根离子则较慢。因此，在一定时间内就出现了冷端氢离子过剩的现象，造成了高温端为负，低温端为正的电极化。当冰晶与霰粒接触后，又分离时，温度较高的霰粒就带上了负电，而温度较低的冰晶就带上了正电。在重力和上升气流的作用下，较轻的带正电的冰晶集中到云的上部，较重的带负电的霰粒则停留在云层的下部，因而造成了冷云的上部带正电而下部带负电。

③ 水滴因含有稀薄盐分而起电

出了上述冷云的两种起电机制外，还有人提出了由于大气中水滴含有稀薄盐分而产生起电机制。当云滴冻结时，冰的晶格中可以容纳负的氯离子，却排斥正的钠离子。因此，水滴冻结的部分带负电，而未冻结的部分带正电（水滴冻结时是从里向外进行的)。由于水滴冻结而成的霰粒在下落的过程中，摔掉表面还未来得及冻结的水分，形成许多带正电的小云滴，而冻结的核心部分则带负电。由于重力和气流的分选作用，电正点的小滴被带到云的上部，而带负电的霰粒则停留在云的中、下部。

3 暖云的电荷积累

在热带地区，有一些云整个云体都位于 0℃以上区域。因而只含有水滴而没有固态水粒子。这种云叫暖云或水云。暖云也会出现雷电现象。在中纬度地区的雷暴云，云体位于 0℃等温线一下的部分，就是云的暖区。在云的暖区里也有起电过程发生。

在雷雨云的发展过程中，上数机制在不同的发展阶段分别起作用。但是，最主要的带电机制还是由于水滴冻结造成的。大量观测事实表明，只有当云顶呈现纤维状，丝缕结构时，云彩发展成为雷雨云。飞机观测发现，雷雨云中存在以冰、雪晶和霰粒为主的大量云粒子，而且大量电荷的积累即雷雨云迅猛带电机制，必须依靠霰粒生长过程的碰撞、撞冻和摩擦等才能发生。

闪电现象

暴风云通常产生电荷，底层为阴电，顶层为阳电，而且还在地面产生阳电荷，如影随形地跟着云移动。阳电荷和阴电荷彼此相吸，但空气却不是良好的传导体。阳电奔向树木、山丘、高大建筑物的顶端甚至人体之上，企图和带有阴电的云层相遇；阴电荷枝状的触角则向下伸展，越向下伸越接近地面。最后阴阳电荷终于克服空气的阻障而连接上。巨大的电流沿着一条传导气道从地面直向云涌去，产生出一道明亮夺目的闪光。一道闪电的长度可能只有数千米，但最长可达数百千米。

闪电的温度，从摄氏一万七千度至二万八千度不等，也就是等于太阳表面温度的 3~5 倍。闪电的极度高热使沿途空气剧烈膨胀。空气移动迅速，因此形成波浪并发出声音。闪电距离近，听到的就是尖锐的爆裂声；如果距离远，听到的则是隆隆声。你在看见闪电之后可以开动秒表，听到雷声后即把它按停，然后以 3 来除所得的秒数，即可大致知道闪电离你有几千米。

闪电类型

曲折开叉的普通闪电称为枝状闪电。枝状闪电的通道如被风吹向两边，以致看来有几条平行的闪电时，则称为带状闪电。闪电的两枝如果看来同时到达地面，则称为叉状闪电。

闪电在云中阴阳电荷之间闪烁，而使全地区的天空一片光亮时，那便称为片状闪电。

未达到地面的闪电，也就是同一云层之中或两个云层之间的闪电，称为云间闪电。有时候这种横行的闪电会行走一段距离，在风暴的许多公里外降落地面，这就叫做“晴天霹雳”。

闪电的电力作用有时会在又高又尖的物体周围形成一道光环似的红光。通常在暴风雨中的海上，船只的桅杆周围可以看见一道火红的光，人们便借用海员守护神的名字，把这种闪电称为“圣艾尔摩之火”。

超级闪电指的是那些威力比普通闪电大 100 多倍的稀有闪电。普通闪电产生的电力约为 10 亿瓦特，而超级闪电产生的电力则至少有 1000 亿瓦特，甚至可能达到万亿至 100000 亿瓦特。

纽芬兰的钟岛在 1978 年显然曾受到一次超级闪电的袭击，连 13 公里以外的房屋也被震得格格响，整个乡村的门窗都喷出蓝色火焰。

袭击时间

每时每刻世界各地大约正有 1800 个雷电交作在进行中。它们每秒钟约发出 600 次闪电，其中有 100 次袭击地球。

乌干达首都坎帕拉和印尼的爪哇岛，是最易受到闪电袭击的地方。据统计，爪哇岛有一年竟有 300 天发生闪电。而历史上最猛烈的闪电，则是 1975 年袭击津巴布韦乡村乌姆塔里附近一幢小屋的那一次，当时死了 21 个人。

频率特性

在任何给定时刻，世界上都有 1800 场雷雨正在发生，每秒大约有 100 次雷击。在美国，雷电每年会造成大约 150 人死亡和 250 人受伤。全世界每年有 4000 多人惨遭雷击。在雷电发生频率呈现平均水平的平坦地形上，每座 300 英尺高的建筑物平均每年会被击中一次。每座 1200 英尺的建筑物，比如广播或者电视塔，每年会被击中 20 次，每次雷击通常会产生 6 亿伏的高压。

每个从云层到地面的闪电实际上包含了在 60 毫秒间隔内发生的 3 到 5 次独立的雷击，第一次雷击的峰值电流大约为 2 万安培，后续雷击的峰值电流减半。最后一次雷击之后，可能会有大约 150 安培的连续电流，持续时间达 100 毫秒。

经测量，这些雷击的上升时间大约为 200 纳秒或者更快。通过 2 万安培和 200 纳秒，不难计算得到 dI/dt 的值是每秒 10^11 安培。

主要危害

闪电的受害者有 2/3 以上是在户外受到袭击。他们每 3 个人中有两个幸存。在闪电击死的人中，85% 是女性，年龄大都在 10 岁至 35 岁之间。死者以在树下避雷雨的最多。

苏利文也许是遭闪电袭击的冠军。他是退休的森林管理员，曾被闪电击中 7 次。闪电曾经烫焦他的眉毛，烧着他的头发，灼伤他的肩膀，扯走他的鞋子，甚至把他抛到汽车外面。他轻描淡写地说：“闪电总是有办法找到我。”

雷电对人体的伤害，有电流的直接作用和超压或动力作用，以及高温作用。当人遭受雷电击的一瞬间，电流迅速通过人体，重者可导致心跳、呼吸停止，脑组织缺氧而死亡。另外，雷击时产生的是火花，也会造成不同程度的皮肤烧灼伤。雷电击伤，亦可使人体出现树枝状雷击纹，表皮剥脱，皮内出血，也能造成耳鼓膜或内脏破裂等。

中国是一个多自然灾害的国家，跟地理位置有着不可分割的关系，雷电灾害在中国也有不少，最为严重的是广东省以南的地区，东莞、深圳、惠州一带的雷电自然灾害已经达到世界之最，这些地方也是因为大气层位置比较偏低所造成的影响。纽约是雷电灾害最多的地区在近几年更是明显加强，我国的东莞近最为严重，雷电所带来的经济亏损在夏季 5-8 月之间，东莞当季的 GDP 比例亏损度接近 6%，上千万的经济亏损，也是一大严重的自然灾害多发区域。多起雷电伤人事件在东莞地区每年都会发生，达到了全世界雷击人事件最频繁，最多的地区。在中国，乃至全世界的雷电受灾重区之一。

雷电对生物病态细胞的特殊作用

闪电大家都知道，它来源于夏季的积雨云层。当携带电荷的云层临近地面上高大的建筑物时，就会出现正负电荷对撞，并形成强大的闪光，同时会伴随空气的共振产生巨大的轰鸣声，这就是雷电。有时，人们把闪电称作雷电。为什么叫雷电呢？因为“雷”象征爆炸，“雷鸣电闪”中的“雷”形容声音，而“闪”是由于正负电荷撞击而形成的光辐射，所以，人们将自然界中的打雷和闪电统称为雷电。闪电的电压是很高的，约为 1 亿至 10 亿伏特，一个中等强度的雷电释放的功率可高达 1000 万瓦，相当于一座小型核电站的输出功率。避雷针只能预防直击雷的强大电荷冲击，而对强雷电磁感应的电荷就很难起作用了。雷电分为接触电荷和感应电荷。

（1）接触电荷：在强大的积雨云层中，由于电荷不断积累，形成了强大的静电高压电场。在电场力作用下，对地面上的高大物体形成尖端放电，以卸载电荷。在这种情况下，云层携带的是正电荷，大地携带的是负电荷。当正负电荷相互碰撞时，就会形成瞬间的中和反应，这也叫直击雷。

（2）感应电荷：在云层放电的瞬间，形成强大的电磁转换，这种强大的电磁场就会在地球表面的金属导体上形成感应电荷。这种感应电荷会在瞬间积累构成高压电场放电，从而导致通讯网络和电气设备瞬间被击毁。

雷电会给人类生活造成巨大的破坏，每年的雷雨季节给人类造成的直接经济损失就高达数亿美元，每年被雷电击中死亡的人和其他动物数量高得惊人，而且这个数量还在不断攀升。雷电对人体的伤害主要包括两个类型：

（1）直击雷：当人遭到雷击的一瞬间，强大的电流会迅速通过人体，严重者可导致心跳停止、肺功能衰竭、脑组织缺氧而死亡。另外，雷击产生的高温弧光也会形成人体不同程度的皮肤灼伤和碳化。人体遭雷电击伤，会形成树枝状的雷击纹理，致使皮肤剥脱和出血，也可造成耳鼓和内脏破裂等等。另外，据不完全统计，在每年的雷雨季节中，世界上所发生的雷击高达 1700 次左右，全世界每年大概有数千人遭受雷击。在比较平坦的地形上，30 米左右高的建筑物平均每年就会被击中一次；每座数十米及以上的高层建筑物，如广播或电视塔，每年会被击中 20 次左右，每次雷击所产生的高电压达 6 亿伏左右。如果没有避雷设备，这些建筑物早就被毁掉了。从云层到地面的闪电雷击，它也包含了在 50 毫秒左右间隔之内的发生次数，也就是 4 次左右的独立雷击次数。第一次的雷击峰值电流大约在 2 万安培左右，而后续雷击的电流峰值则会减半，最后一次雷击很可能产生大约 140 安培左右的持续电流，其持续的时间可长达数十毫秒左右。

（2）雷电感应。是在雷电感应过程中产生的强大瞬间电磁场，这种强大的感应磁场，可在地面金属网络中产生感应电荷。包括有线、无线通讯网络，电力输电网络和其他金属材料制成的线路系统。高强度的感应电荷会在这些金属网络中形成强大的瞬间高压电场，从而形成对用电设备的高压弧光放电，最终会导致电气设备烧毁。尤其对电子等弱电设备的破坏最为严重，如，家用电器的电视机、电脑、通信设备、办公设备等等。每年，被感应雷电击毁的用电设备事故达千万件以上。这种高压感应电也会对人身造成伤害。

在上世纪 80 年代的中国，由于电视刚刚普及，电视天线的高度大都在 10 米左右，有的还不到 10 米。这样的天线高度在平原区是常见的，而四周的高大物体也是非常多的，主要包括：树木、高层建筑、水塔、市电网络等。鉴于民用电视天线的高度，其遭受直击雷的概率是很低的。

一次偶然的强雷电，让人们了解到了由强雷电而引起的瞬间强磁电转换过程。事故现场电视天线的高度为 6 米左右，不超过四周的近距离建筑物高度和树木的高度。树木的高度为 10 米，建筑物高度为 8 米，积雨云层距地面电视天线的高度为 300 米以上，距强雷电发生的距离为 1000 米。入室的电视天线和电视电源插头已拔掉，天线接头距离电视接线端子为 20 公分左右，电视天线的馈线长度不超过 20 米，天线接收器为一般简易的民用振子天线。一道闪光过后，巨大的雷从 1000 米的高空炸起，此时只听电视机后面“啪”的一声，一道弧光闪过。近前一看，电视天线与电视机的各接线端头都被高压电弧烧毁了。当时屋里所有的人都被这突然的放电声吓了一跳，庆幸距离电视机较远，不然后果不敢设想。一万伏高压静电能击穿 1 公分的干燥空气介质，按天线接头距离电视接线端子 20 公分的距离来计算，需要 20 万伏高电压才能击穿。由于当时是雷雨天气，屋里的空气湿度较大，击穿 1 公分空气介质的电压应在 5000 伏左右，即使这样击穿 20 公分空气介质的电压也要在 10 万伏左右。上述的数据只是粗略的计算，在 20 米长的金属导体上究竟能产生多高的磁感应电荷，还要进行进一步的研究工作。

此处介绍了很多雷电对人类的不利因素，下面谈谈雷电给人带来的好处。在社会上，常会听到这样的新闻：有些病人被医院判了“死刑”，或者说，有的病人被医院认定患的是永远治不好的病。而在一次强雷电过后，病却突然好了起来，眼睛看不到的和耳聋的人也都复明、复聪。其实这不是什么秘密。人类的感觉器官是通过神经系统传递信息的，由于某种病态，导致一部分人失明和耳聋，很有可能在瞬间强大的电磁——磁电转换过程中，由于强磁场或者强电场的激发而使原有的神经或者感觉器官恢复正常的功能。人们都知道，人体细胞是由大化学分子组合而成的，细胞膜是人体生物电场的最小单位。人体的病灶很有可能是由于细胞的不正常电位变化而形成的，而在恰当频率和波长的强电场或强磁场状态下，细胞的不正常电位会转换为正常电位，使人的病灶康复。在现代医疗中，也常有医生们用电疗方法刺激人体的病灶部位，使人的机体逐渐康复。

总而言之，事物不是一成不变的。雷电是一种强大的电脉冲波，也会形成强脉冲磁场。强雷电是一把双刃剑，可以给人类带来灾难，也可以带来福音。人体是电的导体，强磁场会在人体中产生瞬间的感应电流而流通人体的所有经络；人体也是一个电磁源，外界各种不同强度、频率和波长的电磁场都会对人体产生影响。适合的强电磁脉冲辐射会促进人体病灶激发转换，也会使人体产生特异功能，这就是现代哲学思想。较强的静态磁场会促进人体脑电波的强化，从而构成大脑潜意识的不同联想思维，改变原有的机体功能。由磁场影响而产生的梦幻觉可改变人的潜意识思维状态，改变大脑日常较强的暗示指令意识，使人产生错误的行为，甚至走上犯罪道路。

防雷须知

雷电发生时产生的雷电流是主要的破坏源，其危害有直接雷击、感应雷击和由架空线引导的侵入雷。如各种照明、电讯等设施使用的架空线都可能把雷电引入室内，所以应严加防范。

雷击易发生的部位

1.缺少避雷设备或避雷设备不合格的高大建筑物、储罐等

2.没有良好接地的金属屋顶

3.潮湿或空旷地区的建筑物、树木等

4.由于烟气的导电性，烟囱特别易遭雷击

5.建筑物上有无线电而又没有避雷器和没有良好接地的地方。

预防雷电的方法

应急要点：

1.注意关闭门窗，室内人员应远离门窗、水管、煤气管等金属物体。

2.关闭家用电器，拔掉电源插头，防止雷电从电源线入侵。

3.在室外时，要及时躲避，不要在空旷的野外停留。在空旷的野外无处躲避时，应尽量寻找低洼之处（如土坑）藏身，或者立即下蹲，降低身体高度。

4.远离孤立的大树、高塔、电线杆、广告牌

5.立即停止室外游泳、划船、钓鱼等水上活动。

6.如多人共处室外，相互之间不要挤靠，以防雷击中后电流互相传到。

专家提示：

1.高大建筑物上必须安装避雷装置，防御雷击灾害。

2.在户外不要使用手机

3.对被雷击中人员，应立即采用心肺复苏法抢救。

4.雷雨天尽量少洗澡，太阳能热水器用户切忌洗澡。

避雷技术

由中国科学院研究员、国际宇航科学院院士在国际上首次提出了通过消除雷击危险性，使保护目标不再遭受雷击的新一代避雷技术，称为“智能避雷技术” 。以原中国科学院空间中心电学组专家团队，经过十多年的潜心研究开发，从理论分析、模拟计算、实验测试、模型实验、工程实用化研究、外场实验等各个角度和方法的研究，都证明了这一技术的合理性和可行性。期间经多次大小各类专家会议的评审鉴定，得到充分肯定，被誉为“21 世纪防雷事业的曙光” 。

相关统计

雷电次数——当雷暴进行时，隆隆的雷声持续不断，若其间雷声的时间间隔小于 15 分钟时，不论雷声断续传播的时间有多长，均算作是一次雷暴；若其间雷声的停息时间在 15 分钟以上时，就把前后分作是两次雷暴。

雷电小时——就是说在该天文小时内发生过雷暴，更通俗些说是在这个时间里曾听到过雷声而不论雷暴持续时间的长短如何。某一地区的"年雷电小时数"也就是说该地区一年中有多少个天文小时发生过雷暴，而不管在某一小时内雷暴是足足继续了一小时之久，还是只延续了数分钟。

雷暴日数——也叫做雷电日数。这是我们所最熟悉的。只要在这一天内曾经发生过雷暴，听到过雷声，而不论雷暴延续了多长时间，都算作一个雷电日。"年雷电日数"等于全年雷电日数的总和。

雷暴月数——也叫做雷电月数，即指在这一个月内曾发生过雷暴。"年雷暴月数"也就是指一年中有多少个月发生过雷暴。