我们开始破解闪电和雷暴如何运作的奥秘

想象一下躺在绿色的山丘上,看着云彩在美好的一天过去。您可能想到的云是积云,类似于蓬松的棉球。他们似乎足够纯真。但是它们可以成长为更强大的积雨云,即暴风云。这些是产生雷电的怪物。他们是强大的,破坏性的并且极度神秘。它们可能也变得越来越普遍,这使得了解它们的工作原理以及它们对人类世界的影响,包括我们如何建造建筑物或输电线,比以往任何时候都更加重要。

当温暖的湿空气升至较高的高度并使其变冷并凝结成水滴时,就会形成许多云。当以这种方式形成的云迅速增长非常大,并吸入越来越多的水蒸气时,就会发生雷暴。几乎总是伴随着降水和强阵风。当然是闪电。闪电似乎很少见,但它已经发生了700次,即每秒发出约100次打击,这是您读完这句话所花费的时间。

雷电和雷暴似乎越来越普遍,并且有人建议,由于全球变暖,这种情况将持续下去。2014年,美国加州大学伯克利分校的David Romps教授开发了一种大气模型,该模型预测随着地球变暖,闪电将增加12%。有迹象表明这可能已经发生。荷兰的研究人员研究了阿拉斯加和加拿大森林中由雷电引发的大火,并在过去40年中每年以2%至4%的速度增长。

我们不太了解闪电。例如,如果要拍摄雷击并以超慢动作播放,则您会注意到雷击是逐步进行的。西班牙格拉纳达安达卢西亚天体物理研究所的亚历杭德罗·卢克(Alejandro Luque)博士说,它会间隔一段时间才继续前进。但是我们不知道为什么会这样。他说,对此有几篇论文,但基本上没有公认的理论。

卢克博士认为他可能对该问题有一些见解,但是,通过他的工作,研究了一种甚至更令人难以置信但更好理解的电现象-精灵。

精灵是巨大的,彩色的射流,发生在离地面50至90公里之间,远高于雷暴。由于很难从地面上看到它们,因此人们对它们的存在存在了多年的怀疑。卢克博士主要通过研究飞机拍摄的照片来研究它们。

尽管比闪电还不熟悉,但精灵的物理原理更容易研究,因为在如此高的海拔下,空气很少,因此放电会更缓慢且温度更低。闪电产生的温度比太阳表面还要热。但是卢克博士说,精灵放电通道“与周围的空气温度几乎相同”。

子画面中的通道是由许多细小的细丝构成的,称为流光。随着拖缆的传播,其中的一些斑点会更明亮,更持久地发光。卢克博士说,在子画面中,明亮的发光归功于电子的行为。在拖缆的某些区域,电子附着在空气分子上,这会增加电场强度,产生更亮的光。

脚步

卢克博士说,这种解释是没有争议的,但是我们不知道的是,正如他所怀疑的那样,一个类似的过程是否可以解释为什么闪电本身会逐步进行。在闪电的情况下,在较低的高度,会有更多的空气分子,电子对它们的附着可能以稍有不同的方式自行发挥作用,从而产生步进模式。卢克博士想通过他的eLightning项目找出是否正确。

他和他的学生AlejandroMalagón-Romero在2019年提出了这一假设。他的团队现在正在构建闪电的计算模型,以测试他们期望的过程是否可以解释步进行为。

理解为什么雷电会逐步蔓延,并不能帮助我们降低其危险性。但是卢克博士说,更好地了解这种现象可能对其他各种领域都有帮助。例如,放电可能会在电力线周围形成,因此必须将放电设计为最小化。这种排放物还用于工业中,例如用于消毒工业废气,甚至用于复印机。更好地了解它们的工作方式可以改进设计。

雷电似乎是雷暴武器库中最危险的武器,但这些风暴也会产生异常强的风。

欧洲的天气以被称为温带气旋的空气系统为主导,螺旋形的气流在横扫整个地区时带动风雨。欧洲城市的平均年访问量在70到90之间,科学家对他们的工作方式有很好的了解。尽管并非总是如此,但这些风暴可能会很强。

无论何时在欧洲建造建筑物,设计人员都必须确保其能够承受强风,并且为此而使用的模型基于温带气旋。这样做的麻烦在于,它无法解释像雷暴这样的罕见风。

雷暴

要了解为什么这很重要,您需要了解旋风和雷暴之间的区别。首先,雷暴比旋风更强烈。虽然飓风可以持续三天,但雷暴可能在20分钟内结束。因此,您会得到阵阵非常强烈的阵风,而不是持续的适度阵风。其次,更重要的是风的强度如何随海拔高度而变化。旋风变得越来越强。另一方面,雷暴往往会产生大约100m处开始向上的风,然后向下吹,随着风的下降而增强。正常的风平行于地面吹,但是雷暴则向下吹。完全不同。”意大利热那亚大学的Giovanni Solari教授说。

索拉里教授说,综合所有这些,结果就是我们对最高的建筑,尤其是摩天大楼进行了过度工程设计,对低层建筑和造船厂起重机等结构进行了工程设计不足。300米高的摩天大楼的最高200米可能不会受到雷暴的打击,但是我们将它们设计为好像会那样,因为我们的模型假定风向更高。他说,我们使建筑物过于安全。另一方面,小型起重机可能会被雷暴袭击而倾倒,雷暴会在地面上产生最强的风。

索拉里教授的目标是通过THUNDERR项目来纠正此问题,从而通过产生可用于帮助设计建筑物的雷暴风模型来使建筑更高效,成本更低。第一步是参加世界级创建一个合成雷雨风隧道在安大略省的加拿大大学,使这个模型。索拉里教授说,现在已经完成了,他的模型很好地捕获了这些合成风暴的作用。但这是容易的部分。

现在,他正在着手模拟真实的雷暴,其中存在巨大的变化。为了提供帮助,索拉里教授及其团队构建了一个由45个气象塔组成的网络,这些气象塔分布在地中海沿岸,旨在捕获雷暴产生的风的数据。

索拉里教授说:“人们以前认为雷暴是罕见的。” '那是因为我们看不到他们。该网络现已记录了250个雷暴记录的数据库。现在的计划是调整初始模型,以解决所有这些不同的雷暴天气并真正具有代表性。

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