爱荷华州暴风雨期间的云到地面闪电。
虽然我们倾向于认为闪电是从天空撞向地面的闪电,但闪电可以击中地面,也可以击中云层或空气内部。根据美国国家强风暴实验室的数据,云内闪电的次数是云对地闪电次数的5到10倍。下面我们来看看雷雨天气中可能出现的不同类型的闪电。
云地闪电
当负电荷在雷暴的底部增长时,正电荷开始聚集在地球表面下面,无论雷暴走到哪里,它都跟着它。正如上图所示,这几乎是所有从云到地的闪电的原因。在云到地的闪电中,一个阶梯式引线从负云层底部向下倾斜,途中被一股电离空气柱拦截,这股被称为“正流线”的空气柱从带正电的地面向上冲向引线。当两者连接时,一股强烈的电流在云层和地面之间咆哮,形成了闪电。多个正带有时会争夺同一个梯级先导。
在雷雨中,几乎任何接地的物体或生物都可能吸引阶梯状的先导,但闪电是懒惰的,所以越近越好。树木、高楼、高塔和天线是人们最喜欢的目标,而且,闪电可以击中两次。
云内闪电和云间闪电
云内闪电从不离开它形成的地方。
地球上大约四分之三的闪电从未离开它形成的云层,满足于在风暴中找到另一个带相反电荷的粒子区域。这些闪电被称为“内声闪电”,但它们有时也被称为“片状闪电”,从我们的有利位置来看,它们照亮了云表面发光的片状闪电。“蜘蛛闪电”(见下图)发生在分支闪电沿着云的底部爬行时。
蜘蛛闪电是一种长时间的、水平移动的闪光,经常出现在云的底部。
闪电有时也会离开云层,停留在天空中,这种现象可以有多种形式。它可能会跳到另一片云上,或者如果附近有足够的电荷,它可能会直接撞击风暴周围的空气。
虽然基于云的闪电通常不会打扰地球表面的人类,但它会对我们的飞机、火箭和其他飞行器造成严重破坏。客机的飞行路线通常会直接穿过巨大的雷暴,虽然闪电通常会从飞机的外部穿过,但在这种情况下很难完全保护任何电气系统。2009年,公司官员说法航447航班在消失在大西洋上空之前很可能被闪电击中——它在两个电力系统失去电力之前撞上了热带风暴——尽管各种其他因素可能使情况更加复杂。在卡纳维拉尔角的NASA工程师也经常受到来自佛罗里达州无情夏季雷暴的闪电的困扰,这可能会推迟发射并损坏昂贵的设备。
晴天霹雳
佛罗里达大学闪电研究小组用高速相机捕捉到了这一闪电。
大多数雷击都是负电的,从云层底部下降到带正电的地面。但在大型雷暴中,一个增压的正闪电可能从云层的上部区域发射出来,在撞向带负电的地球的遥远部分之前飞离风暴。有时,雷暴会蔓延至25英里,甚至会悄悄靠近那些甚至不知道附近有雷暴的人——因此被称为“晴天霹雳”。除了隐身和罕见之外,蓝色闪电的威力也比普通闪电大得多,因此会造成更多的人身和财产损失。
球状闪电
在世界各地的雷暴中都曾报道过漂浮的电球——甚至在实验室中也曾重现过——但在自然界中却难以证实。如果自然球状闪电确实存在,那它是短暂的、不稳定的和罕见的。尽管如此,还是有一些诱人的暗示。
关于球状闪电的本质,科学家们还有一个有趣的理论。在2018年3月发表的一项研究中,研究人员创造了一种被称为玻色-爱因斯坦凝聚态的过冷态物质,然后将其磁场捆绑成一个复杂的结。这产生了一种被称为“尚卡尔空子”的量子物体,它在40多年前就被理论化了,但从未在实验室中被成功创造出来。
斯格明子是一种“原子磁矩的打结结构”,本质上是一组互锁磁场。研究人员指出,这种打结磁场是球状闪电拓扑理论的关键,该理论描述了被打结磁场约束的热气体等离子体。理论上,球状闪电比一般的闪电持续的时间要长得多,因为很难“解开”固定等离子体的磁结。
瞬时发光事件
闪电并不是雷暴惯用的唯一的电伎俩。还有一个大多数人从未见过的诡异鬼光世界,在风暴上方的高层大气中飞舞。它们并不是传统意义上的闪电——人们更喜欢用“瞬变发光事件”或“大气光学现象”来称呼它们——但我们对它们仍然知之甚少。
精灵的彩色图像,从飞机上拍摄的。
精灵是直接出现在活跃雷暴上方的巨大闪光,通常与下面强大的、带正电的云层到地面的闪电相对应。由于它们大多发出红色的光,所以也被称为“红色精灵”,这些微弱的耀斑可以从云层顶部发射到60英里外,尽管它们的电荷很弱,持续时间很少超过几秒钟。精灵的形状被比作圆柱、胡萝卜和水母,但它们微弱的电荷和柔和的光意味着它们很少被肉眼发现——事实上,直到1989年才有它们的照片证据。
然而,从那时起,成千上万的精灵被从地面、飞机和太空拍摄下来。
蓝色喷流只持续不到一秒。
蓝色喷流就像它们听起来的样子:从雷暴顶部喷出的蓝色能量束射向周围的天空。尽管名字很直白,但它们是一种更神秘的瞬时发光事件,因为它们与云到地的闪电没有直接联系,也不与当地磁场对齐。当发光的蓝白条纹从云层中出现时,它们以狭窄的锥状向上延伸,逐渐呈扇形散开,在大约30英里的高度消散。
这张精灵的照片是由太空动力学实验室拍摄的。
精灵,出现在活跃的云层到地面闪电的区域,也在电离层中被发现。这些发光的、快速膨胀的圆盘可以延伸300英里,但它们持续的时间不到千分之一秒,这使得即使没有雷雨阻挡,也很难发现它们。1992年,美国国家航空航天局发现了精灵,当时航天飞机上的一个低光摄像机记录下了精灵的活动。科学家认为,精灵是由雷暴发射到电离层的电磁脉冲造成的。
闪电安全
在过去的30年里,每年死于闪电的美国人比死于飓风或龙卷风的美国人多,但由于死亡的时间和距离都更长,因此它是最被低估的天气危害。由于某种原因,死于雷击的男性比女性多很多——自2006年以来,美国被雷击死亡的人中超过78%是男性。在美国的某些地区,闪电也更加频繁和严重,特别是佛罗里达州、德克萨斯州和墨西哥湾附近的其他州。
从云到地的雷击可以通过几种方式攻击人。在雷雨期间或雷雨前或雷雨后30分钟暴露在户外不是一个好主意,站在树或杆子等高大的东西附近也不是一个好主意。但理想情况下你应该待在里面。
最好的地方是有管道和电线的建筑,因为它们比人体更能导电。有暴露开口的建筑不安全,包括棚屋、车库、野餐棚、棒球掩体和露天体育场。如果你被困在外面,尽量进入封闭的金属车辆,把车窗拉上,避免乘坐敞篷车、高尔夫球车、拖拉机或建筑设备等敞篷车辆。
众所周知,雷雨天气的游泳池很危险,因为水很容易导电。与另一种顶级导体金属一样,水也可以帮助闪电侵入我们的家庭和企业,让它通过管道和电力系统进入。闪电可能直接击中建筑物或穿过电线,有可能触电正在洗澡、使用电脑或打电话的人(固定电话是主要风险;在暴风雨中使用手机通常是安全的)。即使预计不会发生龙卷风,建筑物最安全的部分是室内,远离窗户、水和电器。