雷和闪电是怎么形成的？

Question

最近的雷雨真多，晚上雷太震了，都睡不好

Answer 1

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。

Answer 2

雷电的形成
雷电是由雷云（带电的云层）对地面建筑物及大地的自然放电引起的，它会对建筑物或设备产生严重破坏。因此，对雷电的形成过程及其放电条件应有所了解，从而采取适当的措施，保护建筑物不受雷击。
在天气闷热潮湿的时候，地面上的水受热变为蒸汽，并且随地面的受热空气而上升，在空中与冷空气相遇，使上升的水蒸汽凝结成小水滴，形成积云。云中水滴受强烈气流吹袭，分裂为一些小水滴和大水滴，较大的水滴带正电荷，小水滴带负电荷。细微的水滴随风聚集形成了带负电的雷云；带正电的较大水滴常常向地面降落而形成雨，或悬浮在空中。由于静电感应，带负电的雷云，在大地表面感应有正电荷。这样雷云与大地间形成了一个大的电容器。当电场强度很大，超过大气的击穿强度时，即发生了雷云与大地间的放电，就是一般所说的雷击

Answer 3

雷电是伴有闪电和雷鸣的一种雄伟壮观而又有点令人生畏的放电现象。雷电一般产生于对流发展旺盛的积雨云中，因此常伴有强烈的阵风和暴雨，有时还伴有冰雹和龙卷。积雨云顶部一般较高，可达20公里，云的上部常有冰晶。冰晶的凇附，水滴的破碎以及空气对流等过程，使云中产生电荷。云中电荷的分布较复杂，但总体而言，云的上部以正电荷为主，下部以负电荷为主。因此，云的上、下部之间形成一个电位差。当电位差达到一定程度后，就会产生放电，这就是我们常见的闪电现象。闪电的的平均电流是3万安培，最大电流可达30万安培。闪电的电压很高，约为1亿至10亿伏特。一个中等强度雷暴的功率可达一千万瓦，相当于一座小型核电站的输出功率。放电过程中，由于闪道中温度骤增，使空气体积急剧膨胀，从而产生冲击波，导致强烈的雷鸣。
带有电荷的雷云与地面的突起物接近时，它们之间就发生激烈的放电。在雷电放电地点会出现强烈的闪光和爆炸的轰鸣声。这就是人们见到和听到的闪电雷鸣。
　　暴风云通常产生电荷，底层为阴电，顶层为阳电，而且还在地面产生阳电荷，如影随形地跟着云移动。阳电荷和阴电荷彼此相吸，但空气却不是良好的传导体。阳电奔向树木、山丘、高大建筑物的顶端甚至人体之上，企图和带有阴电的云层相遇；阴电荷枝状的触角则向下伸展，越向下伸越接近地面。最后阴阳电荷终于克服空气的阻障而连接上。巨大的电流沿着一条传导气道从地面直向云涌去，产生出一道明亮夺目的闪光。一道闪电的长度可能只有数百千米，但最长可达数千米。
　　闪电的温度，从摄氏一万七千度至二万八千度不等，也就是等于太阳表面温度的3~5倍。闪电的极度高热使沿途空气剧烈膨胀。空气移动迅速，因此形成波浪并发出声音。闪电距离近，听到的就是尖锐的爆裂声；如果距离远，听到的则是隆隆声。你在看见闪电之后可以开动秒表，听到雷声后即把它按停，然后以3来除所得的秒数，即可大致知道闪电离你有几千米。

Answer 4

雷雨天气时，天空中那耀眼的闪电、震耳的雷声，在科学不发达的古代，一直得不到科学的解释。有人说，雷公是一位天神，打雷是天神发怒；有人说，雷公是一位天将，打雷是玉皇大帝派雷公下凡来霹打恶人。因此，不少神话戏剧中，就经常有手握两柄大锤的雷公和手拿一面镜子的闪婆出现在舞台上。

天上真有雷公、闪婆吗？没有。这只是古代人民对不认识的自然事物所产生的迷信说法。那么，响雷、打闪到底是怎么回事呢？

当你在黑暗的屋子里脱毛衣或用塑料梳子梳头发时，会听到噼啪的响声，有时还会看见闪闪的火花；用带电的物体接近人体时，也会听到轻微的噼啪声。如果天气干燥，带电体带的电较多，屋子里的光线又比较暗，也能看到带电体、金属之间有明显的电火花。这些都是带电体与人体或金属物体之间发生了放电的缘故。当带电体接近人体或金属时，由于静电感应，人体或金属物体靠近带电体的部分会带上异种电荷，因此，会与带电体之间发生放电。天空中响雷、打闪是不是一种放电现象？人们根据这种猜测，采用各种方法进行实验。

1752年7月的一天，美国科学家富兰克林冒着雷雨做了一个危险异常的实验，成功地证明了雷、闪的发生是天空中的大规模的放电现象。天空中的云是带电的，有的云块带正电，有的云块带负电。当带异种电的云块互相接近时，就会产生放电。放电时产生的电火花就是闪电，惊裂声就是雷声。雷电时我们总是先看到闪电，后听到雷声，是因为闪电的光速比雷声的声速要快得多。

雷电会给人们带来一定的危害。闪电时产生的强大电流、炽热的高温、大量的电磁辐射以及伴随的冲击波，经常使森林起火，干扰无线电通讯，击倒建筑物或击死、击伤人畜。为了防止雷击对建筑物的危害，人们还发明了避雷针。避雷针有两个作用：一是当云块接近避雷针时，避雷针可以把因在静电感应带的电随时放入空中，与云中的电中和，从而化剧烈的放电为缓和的多次放电，减少雷击的可能性；二是作为放电的通路，使电从避雷针的导线中流过，而不至于破坏建筑物。

雷电也有有利的一面。雷电时，闪电产生的高温能使空气中的氧气和氮气化合，从而产生二氧化氮；二氧化氮与雨水化合物生成硝酸，随雨水降落到地面与矿物质反应生成硝石；硝石是一种很好的氮肥，据科学家推算，全世界每年由雷电所产生的氮肥在4000万吨以上。

Answer 5

有很多见解：
1；带不同种电荷的两大片云相遇而产生的一种放电现象
2：是有云和云之间的正电和负电产生的
3：美科学家认为X和伽马射线才是闪电形成主因
通常人们认为闪电是由大气层中的电场作用形成的。但是，来自佛罗里达技术协会的天体物理学家约瑟夫-德怀尔(Joseph
Dwyer)表示，大气层中的电场产生闪电这一理论是错误的，大气层中的电场不可能达到产生闪电的电场强度。
德怀尔曾从事高能量微粒的研究工作，两年前他来到佛罗里达研究中心。在佛罗里达研究中心，聚集了许多从事闪电研究的科研人员。当德怀尔从学术报告中了解到伽马射线和X射线与闪电的形成有密切关系时，他对此产生了浓厚的兴趣并致力于该领域的研究。
许多科学家相信，当大气中形成强大的电场便能够产生闪电。尽管没有任何人真正看到这样的电场，但是，这些科学家仍确信这是闪电形成的正确解释。当德怀尔建立一个高能量辐射模型用来描述地球大气层电场的形成时，模型的实验结果使他为之震惊。他发现电场中伽马射线和X射线释放的能量，可为电场提供足够的电场强度产生闪电。在雷雨天气中，上升气流和下降气流推动水分子互相作用，释放出电子从而增强了电场强度，这些电子最终以接近光速的速度穿越空气。依据德怀尔的闪电形成理论，这些高速电子在电场中伽马射线或者X射线释放的能量作用下，与大气层其他微粒发生碰撞便产生强大的雷鸣声，并释放出电荷。
曾致力于闪电形成研究的佛罗里达大学马丁-乌曼(Martin
Uman)称，“这项发现可能是科学理论的一个重大突破。德怀尔的理论还展示了闪电产生所需的伽马射线和X射线强度。”但是，对于闪电形成的确切解释尚仍不能定论。目前，德怀尔仍猜测某些特定条件下的电场也可以聚集足够的电场强度从而产生闪电