雷是怎样形成的?
雷定义为伴随闪电而产生的声辐射。广义而言,雷与雷暴周围大气的所有流体动力学性质有关。雷可分为两部分。一是人耳可以听到的声能量,称为雷声,二是次声,频率低于人耳能够听到的雷声,通常在几十赫兹以下。一般认为这两种雷所对应的物理机制不同。可以听到的雷声被认为是加热的闪电通道的迅速扩张而引起的,而次声则被认为是当闪电使云中的电场迅速减少时储存在雷暴云静电场中的能量转换而产生的。
雷声及其产生机制
对于雷的描述已经有两千多年的历史,但是直到1963年Malan(1963)才第一次使用现代术语描述了近处雷电发出的声音。之后Latham(1964), Nakano and Takeuti(1970)以及Uman and Evans(1977)都对雷声进行了实际测量。对雷声的普遍描述是:当闪电打在距观测者100m以内时,出现的声音首先为“咔”声,然后象抽鞭子般的噼啪声,最后变成雷特有的持续隆隆声。Malan(1963)认为“咔”声是由地面向上的主连接先导放电造成的。噼啪声由离观测者最近的回击通道部分产生的冲击波所引起。隆隆声则来自于弯曲放电通道的较高部位。而当闪击点离观测者数百米远时,在第一声炸雷(clap)发生之前,人耳听到的第一声类似于撕布的声音,这种声音持续近一秒钟,接着出现响亮的炸雷。这种撕布的声音起源于(1)垂直的放电通道,其长度与距观测者距离相仿。(2)由地面向上的多个连接先导过程。Hill(1977)曾经从Remillard( 1960)总结出的有关雷的十二条事实中选择了其中 最主要的七个:
(1) 云地闪电通常产生最响的雷。
(2) 在超过十英里左右的距离外偶尔才能闻雷。
(3) 用看到闪电与听到第一次雷声之间的时间间隔可以估计闪击距离。
(4) 大气湍流能减小雷的可闻度。
(5) 紧接强烈雷鸣之后,常有倾盆大雨。
(6) 雷声的强度似乎一地不同于另一地。
(7) 当隆隆声持续时,雷的音调变深沉。
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雷定义为伴随闪电而产生的声辐射。
夏季,太阳光直射使地面上的水蒸发得比冬、春、秋都快。贴近地面的空气因温度较高,能够接纳更多的水汽,导致空气的密度减小,空气变轻,变轻了的空气不停地上升。随着海拔高度的增加,温度会逐渐下降(每上升100米,气温降低0.6度),空气也就渐渐凉下来。空气凉了,就无法容纳原先丰沛的水汽,一部分水汽就会凝结成小水滴,天空就会起云。那么,这些小水滴怎么不迅速落下来成为雨呢?这是因为小水滴太小,上升的热气流托住了它们,并把悬浮着的小水滴不停地往更高处推。云就越堆越大越高,这样的云,气象上叫积雨云,其云底离地面约1000米。
当积雨云内的小水滴不断碰撞合并成较大的小水滴时开始往下落,而从地面上升的热空气却一个劲往上冲,两者之间摩擦后就带上了电荷。上升的气流带正电荷,下落的水滴带负电荷。随着时间的推移,积雨云的顶部积累了大量的正电荷,底部则积聚许多负电荷。地面因受积雨云底部负电荷的感应,也带上了正电荷。
云中水滴合并增大,直到上升热气流托不住了,就从云中直掉下来。下层的热气流给雨一淋,骤然变冷,不再上冲,转而向地面扑下来。此时,空中的电荷开始放电,并伴随着轰隆隆的雷声。因电闪以光速30万千米/秒的速度传播,雷是以331米/秒的声速传播,故人们先看到电光尔后才听到雷响。有时候雷声的时间拖得很长,那是云层、山峰及地面把雷声来回反射所致。