雲中閃電與旱天雷

在全球每年約14億次的閃電中, 只有1/4是會「劈」到地面。記得在兒時的自然課本中, 解釋行雷閃電是由兩「舊」帶不同電荷的雲相撞而造成, 那只是另一種閃電的成因。

積雨雲的形成過程都是一樣, 為何會帶不同的電荷? 那只是一個虛象而已。

在積雨雲的形成過程中, 帶正電的水滴較輕, 被急速上升的氣流推上雲的上層, 帶負電的冰粒較重則在雲的底部, 因而雲的上層帶正電, 底部則帶負電。在酷熱的夏天的下午, 積雨雲會在比較廣泛的地區形成, 形成較早的積雨雲厚度可以有十多公里, 底部離地面只有一、二公里。形成得比較遲的積雨雲, 在最初的階段, 帶負電的底部離地面八至十公里, 與較早前形成帶正電的積雨雲的上層在差不多的高度上。當風把兩「舊」積雨雲吹到比較近時, 不同電荷就出現放電現象, 形成雲與雲之間的閃電, 而不是因為兩「舊」雲相撞。總體上這種閃電也是不多的, 最多的一種是在同一「舊」積雨雲中的閃電。

積雨雲累積厚度到十多公里, 不會是一剎那的事, 是需要有段時間, 在過程中, 雲的上層的正電和底部的負電不斷累積, 但底部距離地面還比較遠, 未能引發「劈」到地面的閃電。但正、負電荷累積到一定限度, 就會出現中和效應, 「不假外求」的在雲中發生閃電, 這種「內部事務」的閃電, 沒有如「劈」到地面的「回擊」, 沒有雷聲, 亦不會對地面造成破壞。所以在大雷雨發生前, 積雨雲中已會有多次的雲中閃電, 是閃電的大多數, 只是很多時是發生在日間, 發生時的積雨雲還是比較稀薄, 不如在烏天黑地的大雷雨中容易被察覺到而已。

有時在酷熱的夏天, 黃昏後地面仍然很熱, 仍有條件形成積雨雲, 但卻未夠厚造成大雷雨, 那時就很容易看到積雨雲中多次的雲中閃電。記得在外國某地的一個夏天晚上, 看到遠處地平線上的一 「舊」積雨雲, 不停的閃電, 翌日從天文台的紀錄中看到, 那場雲中閃電, 歷時超過十個小時, 達20,000次之多。

積雨雲是在空氣強烈對流下形成, 雲的上層帶正電的較小的冰粒和水滴, 在「同性相拒」和空氣對流的帶動, 向週圍擴散到幾公里外, 甚至更遠, 去到天色晴朗、艷陽高照的地方。其所帶的正電荷, 對之下的地面產生負的誘導電荷, 最終會出現「劈」到地面的閃電, 但卻與一般的閃電的電荷相反。因為出現在晴空區, 沒有雨雲的跡象, 令人莫名其妙, 稱之為「旱天雷」。民間傳說認為, 無緣無故地發生旱天雷, 一定是有重大寃情, 或是有大惡人在附近了。

夏飛雲指揮上海民族樂團-旱天雷

https://youtu.be/YS8XuIrz1Ts

閃電的電開冷氣

雖然已過立秋, 卻是爭秋奪暑、「秋老虎」肆虐之時, 家中開冷氣就難免了。有朋友在拙作中留言: “夏天多行雷閃電, 如果可以收集到閃電的電用來開冷氣, 就很環保了。”

這肯定是個好主意, 但需要先從電的來源說起。

閃電的電是在積雨雲中產生, 當累積到一定限度, 就發生放電, 出現閃電的現象。據天文學家估計, 全球一年大約有14億次閃電, 即平均每秒鐘有44次。每次閃電的能量, 約為500 Megajoule(焦耳), 如果能全部收集到, 能夠作甚麼用呢?

Megajoule 是用在科學及工程設計上的能量單位, 對我們一般市民顯得很「離地」, 但若說是0.28「度」電, 大家就會心裡有數了, 500 Megajoule 約是140「度」電。

一般住戶每月在燈光照明、各種家電的用電量, 平均約為200「度」, 在最熱、需要開冷氣的幾個月中, 會大增至約800「度」, 相差600「度」, 以每個月30日計算, 即每日開冷氣約用20「度」電, 一次閃電的能量, 就夠一個住戶七日開冷氣之用, 看來不錯。

看深一層, 全球每年的14億次閃電, 分佈極不平均, 有不少「冇雷公」的地方, 也有世界上閃電發生最多的地方, 如南美洲委內瑞拉的馬拉開波湖, 每年平均有300天有閃電發生, 共約1,000,000次! 還有的是, 只有1/4, 即約3.5億次的閃電會「劈」到地面, 有可能被收集。現假定14億次閃電都是平均分佈在全球之上, 包括陸地、高山和海洋。地球的總面積為510,000,000 平方公里, 而全香港包括陸地和海面的面積約為1500平方公里, 由此計算, 全香港每年應有1030次「劈」到地面的閃電。

不過, 香港位於亞熱帶, 有典型的海洋性亞熱帶氣候, 每年的夏季, 經常有積雨雲形成, 造成閃電。據香港天文台在2006至2015十年紀錄, 香港每年平均有41,000次「劈」到地面的閃電, 即使能收集到全部的能量, 也只夠41,000個住戶七日開冷氣之用, 或287,000個住戶一日開冷氣之用, 佔全香港2,500,000住戶的11%。又假定每個住戶一年開90日冷氣, 則所有閃電的能量, 只夠提供0.13%的冷氣, 微不足道, 根本沒有收集的價值。

有朋友說, 開冷氣本來就不環保, 那麼我們試試利用閃電的能量來煲水冲茶。先將一公升水, 從香港每年的平均溫度23度, 煲至100度, 需要0.322 Megajoule的能量, 41,000次「劈」到地面的閃電的能量, 可以煲6,400,000公升的水, 如果一公升水可以冲4杯茶, 就可以冲256,000,000杯, 全香港7,000,000市民每個人分得36杯, 即每個人每10日才可以有一杯! 還不錯吧!

在香港, 「劈」到地面的閃電已遠高於平均值, 而且人口密集, 尚且不值得收集閃電的能量, 其他地方, 更不值得考慮了。

Johann Strauss II - Thunder and Lightning Polka

https://youtu.be/-qESekH-Z1E

雷公如何「劈」

清晨的一場雷雨, 為多天來的酷熱降降溫, 雨勢雖然不算大, 但行雷閃電歷時數分鐘, 亦可幸沒有因「雷公劈」而造成破壞。

「雷公劈」是由閃電造成。閃電是大自然的奇觀之一, 特別是在黑夜中, 閃電的光芒劃破長空, 剎那間可以把大地照得光如白晝。閃電的形態, 粗略看去, 是一道強光, 似蛇一樣擺動前進。記得在兒時, 祖母告訴我們那是「火蛇」, 「雷公」騎在其上去「劈」人、懲罰壞人, 因為其速度快, 所以壞人一定「走唔甩」, 「走到天腳底」雷公都會追到。

在不久前的拙文中已提到過行雷閃電是如何形成的。在積雨雲中, 上升的水滴與下墜的冰粒碰撞摩擦而令彼此帶電荷, 水滴帶正電, 冰粒帶負電, 因為水滴較輕, 被急速上升的氣流推上雲的上層, 冰粒較重則在雲的底部, 因而雲的上層帶正電, 雲的底部則帶負電。當電負荷逐漸累積, 雲底部的負電會會對之下的地面產生正的誘導電荷, 形成兩者之間的電位差, 雖然之間的空氣不是良好的導電體, 但當電荷累積到一定程度, 電位差足夠大去克服空氣的電阻, 雲底部會向地面放電。

放出的電荷不是一條直線般的射向地面, 而是分成很多「節」的, 每「節」的長度約50公尺, 即約一個標準泳池的長度, 視乎當時的空間、地面和多種的環境因素, 在空氣中劃出一道強光, 一節節的以各種形態向地面進發, 途中在本來不是良好導電體的空氣中, 形成一條導電的「路」, 過程的時間約一至兩秒, 甚至更長, 可以用肉眼清楚看到, 就是一般看得到的閃電過程。

當負電荷到達地面, 輪到地面以正電荷來「中和」雲的負電荷, 因為負電荷已在空氣中形成一條導電的「路」, 正電荷向雲的「回禮」時的速度可以快500倍, 約為光速的1/3。這個「回擊」的過程, 因為極快, 不可以用肉眼看到, 在極短時間內的電流, 會令週圍產生極高溫, 造成破壞, 這個「回擊」, 才是閃電的真正「戲肉」, 但可惜卻不能看見。

閃電最普遍的破壞, 是令地面的草地、樹木著火, 造成山林大火, 每年在地球上很多的山林大火, 都是由閃電引起的。這可能是大自然其中的一個「循環再造」的過程, 因為大火過後, 「春風吹又生」。