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闪电为什么可以劈开石头?

图片:skeeze / CC0

赵东东,高能物理PhD

有趣的问题,先说结论:

闪电并不能简单地称为“电流”,更确切地来讲是个放电的过程。当空气被击穿后,形成持续的等离子体,使得电流可以通过原本绝缘的空气。与此同时,闪电释放的能量,会使得其周边空气膨胀,气压突变,也就是产生冲击波。而这类冲击波,正是雷声的来源,也是闪电可以将房顶这类的混凝土石块结构,破坏的直接原因之一


我早些时候,曾经看过一篇关于闪电冲击波的会议文章,文章的题目就是“闪电放电所产生的冲击波”(Shock Waves from a Lightning Discharge[1])。这篇文章用数值计算和半解析法,对闪电产生的冲击波进行模拟分析。其结果,可以让大家很直观地了解到闪电冲击波的性质。在这里我简要引述一下,感兴趣的知友,可以自行阅读。

这篇会议文章专注于,对闪电的等离子体通道,因温度迅速上升而引起的闪电冲击波的计算和模拟。其所用的模拟和分析工具,是开源的计算流体力学程序(open source popular CFD tool: OpenFOAM®),最终给出了冲击波在空间中的传播速度,以及闪电周边气压随着时间的变化。

上图是冲击波外沿速度,随着时间变化的模拟结果。红色虚线是近似解的结果,蓝色实线则是CFD软件的求解结果。横轴为时间,纵轴为速度(单位为音速)。可以看到,直到闪电开始后100微秒时,其冲击波外沿的速度,依然是高于音速的。初始时的速度,甚至在四倍音速以上。

这张图则是以闪电为圆心,周边0.2米半径内的压强,在不同时间内随着距离不同的变化。峰值最高的是接近初始时的周边气压。第二高的,则是在约20微秒时的周边气压,依此类推。别看随着时间和空间的增加,压强递减得很快。要注意,这张图纵轴的单位,可是bar,也就是100kPa,约为一个标准大气压。

上述文章所分析的,是闪电在空气中的冲击波效应。当闪电经过其他不良导体内部时,其热效应所导致的物体内部水分剧烈蒸发,产生气体。而气体膨胀导致的机械作用,同样会产生冲击波,从而破坏物体。这与上述文章中闪电在空气中的冲击波,在特征和数值上应该还是有区别的。


当然,闪电对物体的破坏,并不是只有冲击波破坏这一个因素。闪电的伤害,除了气压变化这类机械效应外,还有热效应等。多重因素下,不同参数的闪电(比如半峰值时间,峰值电流等),对物体造成的破坏程度也不同。

上图是两种不同属性的碳纤维织物(CFRP),在不同峰值电流下雷击实验的破坏结果[2]。可以看到,在冲击波效应和热效应的双重作用下,不同峰值电流的闪电,会在CFRP上呈现出了不同的损伤结果。对闪电所造成的破坏感兴趣的小伙伴,可以参考清华大学出版社出版的《现代防雷技术基础》,了解更多的信息。

总的来说,闪电引起的主要灾害,除了广为人知的电涌损坏,引起火灾以外。其所产生的冲击波,也是同样具有破坏性的。

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