大气电场雷电及球状闪电的形成机理.doc

1、打印日期 2010-4-13 第 1 页 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

2、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，地表受热，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

3、分比 ）为： N2（ 78.084 %）、 O2（ 20.948 %）、其次为： Ar（ 0.9342 %）、CO2（ 0.032 %）、 H2O 等 4。其中 水汽在大气中变化很大，一般在 1% 3%，在热带可达 4%，而在两极则不到 0.1%，并且 绝大部分水汽集中在低层。 大气中的 N2 、 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。O2 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 O2 离子，只是磁场引力相对电场力要弱，所以 O2 离子的稳定性比较低。 H2O 是极性分子，它没有空轨道，所以它不能接受电子， H2O 分子的带

4、负电一端能吸引宇宙线中的质子形成 H3O 离子，因为电场引力相对磁场引力要强得多，所以 H3O 离子的稳定性要比 O2离子高得多。 打印日期 2010-4-13 第 2 页 宇宙射线中的电子大部分被 O2 截留形成 O2 ，现在地球处在温暖期， O2 稳定性比较低，因此大部分 O2 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 O2 含量降低，并使地面带弱负电。 而大气底层的水汽能大量截留宇宙射线中的质子， H3O 含量自然就高，大气正电荷就超过负电荷，这就是现在大气电场为什么总是带正电的原因！ 那为什么 H3O 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 H3O

5、（分子量 18.023）离子比 O2 与 N2（分子量分别为 28.013、 31.9988）分子的质量都小得多， H3O 就受空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， H3O 与 H2O 相互凝结成水珠下沉，会引起大气电场暂时性下降。 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， H3O 离子含量也跟随着下降。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

6、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 H2O 分子截流了宇宙射线中的质子形成了 H3O 离子的结果。 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 H3O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

7、到上升气流的下部。因为 H2O 与H3O 比 O2 、 O2 与 N2 质量都小得多，所以 H2O 与 H3O 比 O2 、 O2 与 N2 的上升的速度都要快。 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 ）， H2O与 H3O 就会凝结为水滴以至冰晶，同时 H3O 得到富集，雨云聚集区产生正电场，相对重的 O2 就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。 打印日期 2010-4-13 第 3 页 云

8、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 H3O 与 O2 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 O2、 H2O、 N2 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、15.8e

9、v2左右，雷云中的电场没有办法使它们电离。 H3O 离子电离出质子只要很低的能量，所以只有大气中 H3O 离子里的质子参与导电，因 H3O 离子 只占下部空气成份很小的一部分，先导电流就比较少，产生光柱也就比较暗淡，同时雷云下部， O2 离子的含量要比 H3O 离子多，当先导电流行进过程中正电荷不断被 O2 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 左右 3），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 O2、 N2、

10、H2O 等分子相继被电离，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。 打印日期 2010-4-13 第 4 页 2 3 球状闪电的成因 由于 N

11、2 的结合能很高，不容易分解，因此轻度放电 只能产生 O3（臭氧机就是用轻度放电的方法产 O3）；中等强度的闪电既能产生 O3，也能产生 NO（ NO 在空气中会很快氧化为 NO2）；如果闪电非常强烈时（温度可达 28000），在超高温的通道内，就会产生另一种化合物 N2O（一氧化二氮）。这是因为当温度 高 达 28000时 ， O2、 N2 都会电离，完全分解为 O、 N 单原子，加上空气中的 N2含量超过 O2 的双倍，因此不容易产生 NO，更容易形成 N2O。 在常温下 N2O 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 （也就是还在化学反应过程中） 的 N2O 会

12、分解为 O2 和 N2。 N2O 分解 反应释放出能量，产生辉光与 的 爆鸣声， 声音主要是由 2 个 N 复合成 N2 产生的，因为 N 复合为 N2 能量高速度快。 工业上 N2O 是由具有爆炸性的 NH4NO3 加 热 到 220 分解 而制得，加热时每个 NH4NO3 分解出2 个无能量的 H2O，因此从理论上说 NH4NO3 的爆炸性已经转移到 N2O 的“身上”， 并且得到浓缩，只是通常情况下 N2O 不管是气态还是液态都比较稳定，不显爆炸性 。 当 发光状态下 的 N2O 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 N2O里的 O，会加速 N2O 里 2 个 N

13、 复合为 N2 的 爆炸性 连锁 反应，瞬间释 放出很 大的能量，这是引起球状闪电爆炸的本质。 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 N2O 分解 反应，最后 N2O 会漫漫消耗殆尽。 一般超强放电 都会产生 N2O，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，

14、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 N2O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，一个等离子打印日期 2010-4-13 第 5 页 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

15、生爆炸也说不通。 3 结论 因此 大气电场的产生， 是大气中的 O2、 H2O 分子 分别 截流了宇宙射线中的 电子与 质子形成了O2 与 H3O 离子， 因 现在地球处在温暖期， O2 稳定性差， 加上大部分 O2 通过空气对流交换进入地面，使地面带负电， 引起大气 O2 含量偏低； H3O 稳定性高， 加上 H3O 比 O2 与 N2 轻， H3O 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 H3O 含量偏高，大气正电荷的总量就超过负电荷，使大气 电场 带正电。 雷电是上升的 H3O 与 H2O 在高空受冷却作用相互 快速凝 聚成水滴 或冰晶 ，集合了大气中大量的正电荷，

16、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 N2O 气体，还在 发光状态下 的 N2O 气 体 ， 能分解为 O2 和 N2，同时释放出能量，发出辉光与 爆鸣声。 当 发光状态下 的 N2O 气团与易燃物接触，易燃物抢走 N2O 里的 O， 引起 N2O 里 2 个 N 复合为 N2 的爆炸性连锁反应。 4 检验方法 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 H3O 与导线的电荷交换，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，用光谱分析其中的成分，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 http:/ 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 http:/ 华南师大物电学院 4 http:/ 转贴