下雨时为什么会有闪电和雷声?

下雨时为什么会有闪电和雷声?
下雨时为什么会有闪电和雷声?

下雨时为什么会有闪电和雷声?
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.
实际上有关雷的研究大部分都是早期的工作,有关的评述可以参考Uman（1987）,Hill（1977,1979）,Few（1974,1975,1981）的有关著作.本书只给出较粗略的描述.
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.
众所周知,由于声音在空气中的传播速度约为330m/s,而光的传播速度为3×108m/s,通道发展速度在105m/s以上.因此,利用声音与光到达观测者的时间差可以大致估算距观测者最近的闪电通道离开观测者的距离.例如,如果到达观测者的声光差为10s,则距观测者最近的闪电通道离开观测者的距离为330m/s×10s=3.3km.这种方法在野外观测中是经常使用的.
那么,雷是如何形成的呢：普遍接受的雷声成因理论认为,人耳可以听到的雷声起源于闪电通道的初始迅速膨胀引发的高压冲击波,它在远距离上退化成为声波.对回击通道的光谱分析认为,在不到10μs的时间内回击通道温度将达到30000K.由于没有足够的时间使得通道的粒子浓度发生显著改变,因此通道的压力将由于温度的升高而迅速增加.在前5μs内平均的通道压力可以达到10个巴.这样一个通道过压将会导致强烈的冲击波使得通道迅速膨胀.
Abramson等（1947）最先从理论上指出,当气体中发生火花击穿和增温时,则会出现等离子体的突然膨胀,并伴有冲击波.在此基础上,发展了一种解析方法来解这种沿无限窄的线源、瞬时释放能量的理想情况下的流体动力学问题.这种解析方法随后又被Drabkina（1951）推广到在击穿通道中逐渐聚集能量的情况.以后这一理论又被Braginskii（ 1958）进一步推广并应用到闪电的情况.Sakurai（1953）和Lin（ 1954）给出了沿无限窄线源瞬时释放能量的类似的解析解.
完善描述闪电通道的增长要涉及许多因素,例如辐射传输、主回击电流前通道中的初始条件、输人电流的时间分布、通道等离子体中电能向热能的转换、通道的耗损等物理特性以及通道的长度和弯曲情况等几何特性.虽然Troutman（1969）,Colgate 和McKee（1969）,Hill（1971）,Plooster（1971a）以及Few（1969,1981）都曾尝试着论述了更接近闪电通道情况的通道增长问题,但是至今所有的处理方法都只考虑初始能量在圆柱体中对称分布的情况,还没有模拟真实的弯曲闪电通道的尝试.不过,对有限大小的线源,所有的结果都证实了当闪电通道每单位长度中聚集极高的能量时,要产生过压强冲击波.
Few（1969,1981）提出,雷的功率谱具有球对称的膨胀冲击波特征.假定行为如同“点源”的一小段通道的平均长度等于3/4倍通道的特征半径R0,则R0=（En/πP0）1/2,这里En是每单位长度通道中的能量耗散,P0是环境压力.功率谱极大值的频率fm＝0.63C0（P0/E）,这里C0是声速.
虽然对闪电产生的冲击波的传播尚未进行足够的实验,但Holmes et al.(1971a), Dawson et al.(1968)以及Uman et al.(1970)对实验室长火花放电产生的冲击波衰减进行了测量,实验基本上证实了上述Few的冲击波理论.
与产生上述可听见雷声的热通道机制不同,次声可能与闪电使云电荷的分布改变后引起的云内静电场的张弛有关(Few, 1985).实际上到目前为止,尽管对这两种过程的产生机理有物理模式进行描述,但是这两类机制的直接证据是什么,这两类机制对观测到的雷的压力变化的贡献如何等等,仍然没有解决.
利用雷声对闪电通道的重构
如果不在一条直线上的三个或三个以上的话筒同时记录到了一次雷声的主要特征,则可以利用到达每一个话筒的声光差来确定声源的位置.通常有两种不同的方法.比较准确的方法是线状跟踪法（ray tracing）,它可以给出一次雷声事件中的多个声源点,从而可对闪电的放电通道进行重构.这种方法中,话筒之间距离相对较近,一般为几十米.利用声波的主要特征到达每一个话筒的时间差可以确定入射声波的方向,再利用闪电到达话筒阵的声光差对方向射线进行数学回归则可以确定放电源的位置.使用这一方法对闪电放电通道的重构技术可以参看Few and Teer(1974), Nakano（1976）和MacGoman et al.（1981）的文章.
声定位的另一种方法被称为雷测距（thunder ranging）,这种方法中三个话筒相距较远,一般在公里量级,测得的位置一般误差较大.按照Few（1981）的理论,声信号到达相距100m以上距离的两个话筒时由于传播路径的不同将变为不相关的,但是一些粗略的特征在相距公里量级的两个话筒上仍然具有相关性.对于炸雷而言,到达一个测站的声光差可以用来确定一个可能源位置的球面.三个话筒得到的三个球面相交的点则是炸雷发生位置.利用这种方法对闪电通道的重构可以参看Uman et al.（1978）的文章.