閃電為什么可以劈開石頭？

圖片：skeeze / CC0

趙東東，高能物理PhD

有趣的問題，先說結論：

閃電并不克不及簡單地稱為“電流”，更切當地來講是個放電的過程。當空氣被擊穿后，形當作持續的等離子體，使得電流可以經由過程原本絕緣的空氣。與此同時，閃電釋放的能量，會使得其周邊空氣膨脹，氣壓突變，也就是發生沖擊波。而這類沖擊波，恰是雷聲的來歷，也是閃電可以將房頂這類的混凝土石塊布局，粉碎的直接原因之一。

我早些時辰，曾經看過一篇關于閃電沖擊波的會議文章，文章的標題問題就是“閃電放電所發生的沖擊波”（Shock Waves from a Lightning Discharge^[1]）。這篇文章用數值計較和半解析法，對閃電發生的沖擊波進行模擬闡發。其成果，可以讓大師很直不雅地領會到閃電沖擊波的性質。在這里我簡要引述一下，感樂趣的知友，可以自行閱讀。

這篇會議文章專注于，對閃電的等離子體通道，因溫度敏捷上升而引起的閃電沖擊波的計較和模擬。其所用的模擬和闡發東西，是開源的計較流體力學程序（open source popular CFD tool: OpenFOAM?），最終給出了沖擊波在空間中的傳布速度，以及閃電周邊氣壓跟著時候的轉變。

上圖是沖擊波外沿速度，跟著時候轉變的模擬成果。紅色虛線是近似解的成果，藍色實線則是CFD軟件的求解成果。橫軸為時候，縱軸為速度（單元為音速）。可以看到，直到閃電起頭后100微秒時，其沖擊波外沿的速度，依然是高于音速的。初始時的速度，甚至在四倍音速以上。

這張圖則是以閃電為圓心，周邊0.2米半徑內的壓強，在分歧時候內跟著距離分歧的轉變。峰值最高的是接近初始時的周邊氣壓。第二高的，則是在約20微秒時的周邊氣壓，依此類推。別看跟著時候和空間的增添，壓強遞減得很快。要注重，這張圖縱軸的單元，可是bar，也就是100kPa，約為一個尺度大氣壓。

上述文章所闡發的，是閃電在空氣中的沖擊波效應。當閃電顛末其他不良導體內部時，其熱效應所導致的物體內部水分猛烈蒸發，發生氣體。而氣體膨脹導致的機械感化，同樣會發生沖擊波，從而粉碎物體。這與上述文章中閃電在空氣中的沖擊波，在特征和數值上應該仍是有區此外。

當然，閃電對物體的粉碎，并不是只有沖擊波粉碎這一個身分。閃電的危險，除了氣壓轉變這類機械效應外，還有熱效應等。多重身分下，分歧參數的閃電（好比半峰值時候，峰值電流等），對物體造當作的粉碎水平也分歧。

上圖是兩種分歧屬性的碳纖維織物（CFRP），在分歧峰值電流下雷擊嘗試的粉碎成果^[2]。可以看到，在沖擊波效應和熱效應的雙重感化下，分歧峰值電流的閃電，會在CFRP上呈現出了分歧的毀傷成果。對閃電所造當作的粉碎感樂趣的小伙伴，可以參考清華大學出書社出書的《現代防雷手藝根本》，領會更多的信息。

總的來說，閃電引起的本家兒要災難，除了廣為人知的電涌損壞，引起火警以外。其所發生的沖擊波，也是同樣具有粉碎性的。

發表于 2019-08-02 18:37
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