大气电场雷电及球状闪电的形成机理.doc

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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。
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＋（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。
云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、15.8ev[2]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、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。
2．3 球状闪电的成因
由于N2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，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，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] 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] 华南师大物电学院．
[4]