这是一个很有意思的问题。我试着回答你。
其实两个多月前,我写过一篇文章回答“每年那么多闪电打地球,电去哪了?”》,介绍了闪电产生的条件,闪电在云中的过程以及闪电最后去了哪里。关注我,你很容易找到这篇四月底的文章。本文开头,我只简单介绍一下要点。
闪电是地球大气层中常见的天气现象之一。那一天,云在空聚集。在不同温度的气流驱动下,云中的水汽分子和细颗粒相互碰撞,尤其是两个云之间的水汽颗粒之间的摩擦最为激烈。
我们知道,物质是由分子和原子组成的,原子的外层是电子。当两个分子或分子簇相互摩擦时,分子簇的一些最外层电子会交换。有些分子获得电子的能力更强,它们会从其他分子那里窃取电子。电子是带负电的,所以抓住电子的带负电,失去电子的带正电。
云中大量的小颗粒碰撞摩擦,会产生带正电的云和带负电的云。因为失去了电子的云比较轻,会在上面;大量带负电的云位于离地面更近的地方,同时会通过感应使附近的地面物体带正电。
(云中的电荷分布和地面感应电场)
空气体是电的不良导体,不容易被击穿。因此,随着云层中的电荷越聚越多,云层与地面之间的电场也越来越强,地面的正电荷会聚集在树梢、屋顶等更靠近天空的地方空,试图建立电流通道。与此同时,云中的负电荷也在寻找下落的途径。当电场强度上升到10kV/cm时,空气体电离,电流通道瞬间建立,闪电发生。
(空气体电离,电流通道建立)
当然,闪电也会发生在两朵云之间。当云中电场足够强时,电流也可能注入到高空大气电离层。
(超过四分之三的闪电发生在云层之间)
闪电有多强?说到这里,你可能会有点失望。我们认为闪电非常强,它应该携带巨大的电能。不幸的是,大多数情况下并非如此。当局部电场超过湿空气体的介电强度(300万伏/米月)时,可以击穿空气体,所以闪电放电通常有一个上限和一个下限。
闪电瞬间释放出强大的电流,给人强烈的震撼。一般的负闪电电流为30000安培(30 kA),最强的负闪电释放的电流高达120kA。正闪电往往比负闪电强得多,它可以产生高达40万安培(400 kA)的峰值电流。
闪电释放电流的时间极短。我们需要看它释放了多少能量来判断闪电的强度。一般来说,闪电携带的能量约为500~1000兆焦耳。在地球大气层的环境中,闪电的强度取决于潮湿空气体的介电强度。只要电场达到300万伏/米的数值,就会击穿空气体,就会发生闪电。
(闪电的强度与潮湿空气体的介电强度有关,它在空气体中的路径是不规则的)
焦耳能量是多少?
你把一个2折的番茄向上扔1米,需要的能量是1焦耳;
将1克水加热到0.24℃需要1焦耳的能量,1000兆焦耳可以将2.5吨水从4℃煮沸。
点亮1W的LED灯珠1秒,能量是1焦耳,所以1焦耳就是1 ws。
1千瓦小时就是1千瓦小时(1kW⋅h
),所以1kW⋅h是1000W×3600s = 3.6MJ(兆焦)
我们已经知道一次闪电可以释放高达1000MJ的电量,也就是说一次闪电可以释放高达280 kWh的电量。
通过计算,你应该意识到闪电看起来很强大,但它释放的能量并没有你想象的那么多。
(闪电的能量短暂而集中,所以看起来很强大)
如何收集和储存雷电能量?闪电是一种自然发生的静电放电。当闪电发生时,大气或地面中的两个带电区域暂时自我平衡,同时瞬间释放高达十亿焦耳的能量。地球上每秒钟大约发生44次雷击,每年总计发生近14亿次雷击,其中约有3.5亿次雷击从云到地,平均持续时间为0.2秒。如果所有的电能都能被收集和利用,那将是一件多么美好的事情。
(很难利用闪电)
问题是我们如何收集闪电?在地球上是随机发生的,闪电发生的地点也是随机的。许多因素会影响世界特定地区典型闪电的频率、分布、强度和物理特征。这些因素包括地面高度、纬度、盛行风流、相对湿度、靠近暖水体和冷水水体等。只有满足很多条件,才能收集到极小一部分电能。
我们需要在雷暴和闪电频繁发生的地方建造数百米的塔,需要一个能在1~10微秒内达到电荷峰值的超级电容器。它们可以承受400kA的瞬时强电流,并存储超过500库仑的电荷。这些都是极难实现的工程目标。就算技术上能做到,建设和维护投入巨大,每次收几千千瓦时的电在商业上也不划算。商业发电需要持续稳定的电力供应,收集闪电简直是“靠天吃饭”。
(虽然埃菲尔铁塔很高,但是闪电避开了,只是因为拍摄角度的原因,看起来像是撞上了)
泰空有闪电吗?目前已知的闪电现象主要发生在地球和几个大气致密的行星上(如木星和土星,金星也被发现有闪电),因为闪电的前提是空气体粒子之间的摩擦;稠密的大气也使得建立放电通道成为可能。超新星和太阳风中的太阳粒子产生的一些高能宇宙射线进入大气层,使空气体带电,也可能产生闪电通道。
(木星大气中的一道闪电)
星际空间空中的气体物质极其稀薄,原子之间相互隔绝,甚至永远无法接触。那里基本没有闪电现象。
太阳系形成过程中,太阳系的原始尘埃会在太阳吸积作用下聚集,大大小小的气体分子和粒子会相互碰撞摩擦。因此,太阳吸积盘中频繁出现闪电,其他恒星在形成过程中也是如此。但无论是恒星吸积过程中的闪电,还是其他星球大气中的闪电,人类都没有办法收集利用。
总结:通过本文的介绍和整理,应该对雷电产生的条件、形成过程和产生的能量有一个大致的了解。虽然来势汹汹,气势汹汹,但实际上每次闪电释放的能量是有限的,还不够一家三口一个夏天的用电量。投入巨资建设“闪充站”,然后坐等闪电发生,相当于搬石头砸自己的天,不具备商业经济性。最好多建一些太阳能发电站。
至于“去泰空收闪电”就更不可能了。只要打开你的大脑想一想。