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你抓得住我嗎?淺談閃電之種種

20168月底,挪威哈當厄高原地區的一道落雷,致使當時正在草原上躲避風暴的三百多頭馴鹿全數擊斃。此起事件,被挪威政府稱為「有史以來死傷最嚴重的雷擊事件」,亦震驚國際媒體。臺灣地區也常有遭到雷擊,而危害民眾性命的新聞被報導。

臺灣各地也曾發生雷擊導致人員傷亡的事件

民國96年至102年臺灣地區雷擊事件紀錄

某個夏日,中部知名原住民文化村處連接日月潭的遊湖纜車,也曾因為午後雷雨之故,使得纜車系統被迫停駛,而打亂遊客的行程。不過,到底「落雷」、「雷擊」是什麼呢?有沒有辦法監測或預測,使此類災害得以減少呢?

「雷擊」(lightning strikes)其實是被自然形成的閃電(lightning)所引起的強大電流打中,並非是被「雷」(thunder),也就是瞬間膨脹的空氣所產生的聲音給打到。因此,「雷擊」應該說是「電擊」,「落雷」則是雲底對地表的放電現象。

羅馬尼亞奧拉迪亞上空的閃電景象。

羅馬尼亞奧拉迪亞上空的閃電(圖片出處Wikimedia Commons)

那麼,如此強大的放電現象是怎麼發生的呢?

在冬季較為乾燥的日子裡,我們偶而會有因為觸碰門把、或是穿脫毛衣之時,被靜電給電到的經驗。這是因為物質彼此碰觸、摩擦之際,電子會朝向特定物質移動。電子數相對多的稱為「帶負電」、電子數相對少的則稱為「帶正電」,等到電量蓄積至一定程度,便會發生放電現象,就是我們常說的「靜電」。我們所知的閃電,也是與此現象同理。

物質彼此碰觸、摩擦時,電子會朝向特定物質移動,等到電量蓄積至一定程度,便會發生放電現象

摩擦生電過程

在上升氣流旺盛之處所形成的積雨雲中,冰晶的形成以及冰晶之間的相互碰撞,使得冰晶的電子逐漸流失,而漸帶正電;得到電子的冰珠,則因此帶負電。又因兩者在溫度、質量上的不同,使得積雨雲的雲頂逐漸累積正電、雲底則蓄積負電。

雲中的冰珠遇過冷水滴,使過冷水滴凝固成冰晶,冰珠與冰晶間會產生熱電效應,導致冰珠與冰晶電性相反互斥,且因兩者質量產生重力分異,形成冰晶在上、冰珠在下

雷擊形成過程

不過,因空氣阻擋之故,雲頂與雲頂之間不會出現電流(電子流)通過的情形。但若當兩處的電量均蓄積到一定程度,電流(電子流)便會強行穿過空氣,於1/100~1/1000秒的極短時間內,產生最大可達十億伏特(大約是一萬隻皮卡丘同時釋放大絕招)的巨大閃電。一旦被這樣強大的能量擊中,如果沒有任何損傷的話,可謂萬幸。

也因放電位置不同,閃電大致可以分為─雲對空、雲中與雲對地這三種,其中對人類造成損害的則是「落雷」—雲對地閃電。

當地表過度加熱大氣,產生強對流現象,導致積雲形成、雲體出現底暖頂冷的現象。當兩端電位差累積到一定程度,會發生放電現象。放電過程中,因空氣瞬間被加熱而膨脹,因而產生雷聲。

雷聲形成過程

閃電的發生能夠被預測嗎?

台灣電力公司於1989年設置的第一代落雷監測系統 (Lightning Location System, LLS),可偵測到雲對地的放電,稱為雲對地偵測系統。而2003年啟用的第二代的監測系統,還可偵測到雲對雲之間的放電,稱為整合型閃電落雷偵測系統(Total Lightning Detection System,TLDS)。自此,關於臺灣的落雷監測便交由台電負責了。

閃電發生時,會產生從超低頻(1 kHz)到超高頻(1 GHz)的電磁波,且由雷擊中心點以近光速向外球狀輻射傳播。此時,監測系統只要偵測並記錄此一電磁波,後將訊號即時傳回給中心進行計算。但是單一的監測裝置只能判別出電磁波入射的方向而無法確實定位,若要判斷閃電發生的位置,最少需要兩組以上的檢測器共同觀測到此電磁波,再由兩組儀器所測得閃電入射方向延伸,兩者的交點即是閃電發生的位置。

閃電監測系統可由兩組以上的檢測器共同觀測閃電產生的電磁波,再由兩組儀器所測得閃電入射方向延伸的交點得知閃電發生的位置

閃電監測系統運作原理

中央氣象局於2014年底建置完成一套有別於台灣電力公司的整合式閃電與落雷偵測系統,引進以「時間差(Time of Arrival, TOA)」方法偵測雲對地和雲對雲閃電的偵測儀器,在臺灣本島和離島多個氣象站組裝,構成一個包覆全臺及鄰近海域的閃電監測網,其原理是藉由閃電打出的電磁波抵達不同偵測站的時間不同,利用時間差計算定得閃電位置。目前中央氣象局的監測系統已於2015年4月正式作業,並於2016年4月開始在官方網站上發布閃電資料,現在只要進入閃電即時觀測頁面,便可查詢相關訊息,開放資料平臺上亦同步開放下載。

關於偵測閃電的應用,在氣象上主要是協助預報員掌握雷雨胞等劇烈天氣系統的發展,如果再搭配雷達回波資訊,便能更詳細了解極短期天氣系統;另外在民生安全上,閃電與落雷偵測系統即時顯示對地閃電發生的區域與位置,提醒民眾盡可能避免當時在該地附近進行活動,或提早做好防範,以減少被雷擊的機會。

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