一道闪电究竟有多少度电一道闪电究竟有多少度电? _小知识

闪电能量并不如想象的巨大，但它带给人们的不止是臭氧、氮肥和道友渡劫的传说，还有气象学和高能物理领域的一个个惊喜和未解之谜。
作者 | 龙浩（电子科学与技术博士）李纪尔
6月25日，世界气象组织（WMO）公布了迄今为止探测到的跨度最长的闪电。它有多长呢？横向跨度709公里！相当于从武汉直接闪到了上海。
不过，它并不是发生在我国境内，而是在2018年10月31日发生于巴西南部。WMO同时还公布了持续时间最久的闪电：2019年3月4日阿根廷北部，这道闪电持续了惊人的16.73秒。

文章插图

横向跨度最长和持续时间最久的闪电 | Geophysical Research Letters

这些“巨型闪电”的极端数据已超越传统基站观测范围 ，它们到底是如何测量得到的？闪电的宏大威力中仿佛蕴藏着巨大的能量，这些能量可以为人类所用吗？科学家们孜孜不倦地完善“人工引雷”试验，究竟收获了什么？
用卫星遥感和“人工引雷”研究闪电
近期全国多地出现了大到暴雨，防御雷电灾害成为了许多地方政府的工作要务。如果能精确观测并获取各地雷电信息，对气候变化研究和防灾减灾具有重要意义。
观测雷电，除了眼睛，还有“闪电成像阵列”（LMA）。它们部署于多地地面，利用观测网络测定闪电数据。但是，如果遇到大型闪电，它们就力不从心了。
如今卫星遥感技术快速发展，它们直接从更广阔的高空俯视 ，可以探测到范围更广、时间更长的极端闪电并获取关键数据。最近公布的最长横跨距离和最长持续时间的巨型闪电，就是被名为GOES-16的地球同步轨道环境卫星观测到的。

文章插图
GOES-16地球同步轨道环境卫星（由美国国家海洋与大气局管理）| Wikipedia.org
随着这些“高大上”的观测手段不断进步，人们对闪电的了解也越发深刻。然而，闪电的发生具有一定的随机性和不确定性，只是守株待兔般等待，研究效率将十分低下。是否有方法对闪电的发生进行人工干预呢？有。我国气象科学研究院连续多年开展了“人工引雷”试验。这是去年7月的实验场景，场面酷炫如科幻大片。

文章插图
【一道闪电究竟有多少度电一道闪电究竟有多少度电?】

我国人工引雷试验 | 中国气象局， 2019
科学家们先通过闪电产生的条件预测闪电形成区域，然后发射一枚拖拽着金属丝导线的小火箭，通过金属丝将闪电引至定点目标物。
引雷试验成功实现了随机闪电的定向引导 ，为闪电这种小概率事件的研究提供了相对稳定可靠的实验环境。
这样成熟的引雷技术，目前仅有中国、美国、日本、法国和巴西等少数几个国家掌握，还有许多国家正在努力研究中。
不过，这也令人好奇：全球科学家们如此执着于人工引雷，是为了收集闪电的能量吗？闪电供能：现实远不如理想丰满
闪电的威力似乎十分巨大，让人类和动物们避之不及。我们经常会看见树木或动物被闪电烧焦或击中死亡的新闻。

文章插图
2016年，挪威一山庄上大片驯鹿被闪电击毙 | 来自网络
如此“巨大”的能量，如果能有效地收集它们，将可能避免区域雷电灾害，同时还能作为绿色清洁能源使用，似乎是一箭双雕的好事。然而，实际情况可能和预想的不同。
闪电巨大的威力来自于它巨大的电流 ，峰值时可达几万安培（2200瓦的家用大功率电取暖器额定电流也不过10安培）。但是，它持续的时间往往非常短 ，通常仅有数十微秒（1微秒=0.000001秒）。因此，闪电实际输送的能量并没有想象中那么大 。
研究结果显示，一道典型闪电输送的能量大约在10亿焦耳，看似数值惊人。但事实上， 1度电（1kWh）就有360万焦耳。换算一下，从一道闪电中大约可获取280度电，相当于闪电电击一下，仅能充满（或者报废）一台特斯拉电动汽车。
如果按照1度电0.55元计算，一道闪电的价值大约154元！这样的产能确实不太令人满意。
尽管单次闪电能量小，但如果闪电总量很大呢？统计数据显示，全球每年有近14亿次闪电发生，但它们分布于世界各地，平均每年每平方公里闪电超过200次的情况已经是比较少见了，并且其中仅有25%的闪电轰击大地，其他闪电直接在云层中释放。

文章插图
平均每年每平方公里的闪电次数（红/黄色表示闪电高发） | Wikipedia.org
不仅如此，闪电何时何地闪耀于天际也实在难以把握，收集闪电只能是一场佛系的等待。即使幸运地等来了闪电，超大电流和超高温度的冲击对电能收集设备也是巨大的考验，尚不成熟的电能存储技术也是亟待逾越的阻力。这些困难给原本就十分羸弱的闪电供能雪上加霜。因此，目前从闪电中获取能量还无法满足供配电系统“安全、可靠、优质、经济”的要求，不具备可行性。“人工引雷”并不是为了收集闪电能量 。那么，引雷到底是为了什么呢？闪电：不断涌现的惊喜和谜题
科学家们通过各种手段研究闪电，除了开发和测试雷电防护技术外，还承担着十分重要的科学任务。
我们知道，当暴风雨来临时，云与大地存在大量相反电荷。当它们积累到一定程度，就会在云和大地之间产生极高的电压 。高压将击穿本不能导电的空气，形成一条“等离子体”导电通路。电荷借由这条通路流过，形成巨大电流，从而产生了“云-地”闪电。
引雷试验就是利用小火箭引导金属丝升空，连接云层和大地，人为构建一条导电通路，让电流沿着金属丝流过，形成人工闪电。

文章插图
“云-地”闪电的形成（图中云层带负电，地面带正电） | http://Wikipedia.org
但是， 云中电荷到底是如何积累的 ，科学界仍有争议。
当前公认的一种观点是：云层中存在水的各种形态，包括蒸气、液滴、冰晶和冰水混合物“软雹” 。它们在复杂气流环境下相互摩擦、撞击。体积极小的液滴和冰晶（带正电）上升，又大又重的软雹（带负电）下降。因此，云层下部积累了大量负电荷，这些负电荷会在地面上感应出正电荷，于是云地间就产生了电压。
然而，实际的大气气流、水的物相、空气环境等情况以及导电通道建立过程等都远比理论模型复杂的多，闪电形成的许多细节仍然成迷。
除此之外，发生几率更高的云层内或不同云层之间的闪电的成因并不明确；火山喷发、沙尘暴、森林大火、龙卷风等特殊情况下发生的闪电，以及地外行星（木星、土星等）上的闪电也蕴藏着许多不为人知的秘密；刘慈欣笔下的球状闪电在现实生活中频频被人们拍摄到，但仍缺少令人满意的科学解释。
许多理论和猜想，都需要更详细、更精确的观测数据来验证或者推翻。

文章插图

火山闪电和木星闪电，蕴藏大量未知秘密 | http://Wikipedia.org & http://Nasa.gov不仅如此，闪电除了可以发出耀眼的可见光，还会激发肉眼看不到的X射线和伽马射线（波长极短的高能电磁波）。
物理学家认为，在自然环境下，通常只有剧烈的天体事件（如爆炸的恒星）才能产生伽马射线。但越来越多的观测结果表明，闪电发生地附近也有一定概率能探测到伽马射线。这些伽马射线和空气分子相互作用后，能够制造出放射性同位素和正电子，这些正电子就是神秘的反物质 。
闪电仿佛是出现在地球上的天然粒子加速器，制造着一个又一个奇迹，令人们惊叹无比。最长和最久的闪电让我们感受到新型雷电探测技术的进步，引雷试验让闪电的人工控制成为可能。尽管闪电能量并不如想象的巨大，但是它带给人们的，不止是臭氧、氮肥和道友渡劫的传说，还有气象学和高能物理领域的一个个惊喜，抑或是更大的谜题。
（责编高佩雯）参考文献：

Peterson M J, Lang T J, Bruning E C, et al. New WMOCertified Megaflash Lightning Extremes for Flash Distance (709 km) and Duration(16.73 seconds) recorded from Space. Geophysical Research Letters, 2020, Accepted.
https://en.wikipedia.org/wiki/Lightning
http://www.cma.gov.cn/2011xwzx/2011xqxkj/cxgc/201906/t20190610_526774.html

文章由“十点科学”（ID：Science_10）公众号发布，欢迎转发朋友圈，转载请注明出处。

一道闪电究竟有多少度电 一道闪电究竟有多少度电?

一道闪电究竟有多少度电一道闪电究竟有多少度电?