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：

闪电并不克不及简单地称为“电流”，更切当地来讲是个放电的过程。当空气被击穿后，形当作持续的等离子体，使得电流可以经由过程原本绝缘的空气。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，也就是发生冲击波。而这类冲击波，恰是雷声的来历，也是闪电可以将房顶这类的混凝土石块布局，粉碎的直接原因之一。

我早些时辰，曾经看过一篇关于闪电冲击波的会议文章，文章的标题问题就是“闪电放电所发生的冲击波”（Shock Waves from a Lightning Discharge^[1]）。这篇文章用数值计较和半解析法，对闪电发生的冲击波进行模拟阐发。其成果，可以让大师很直不雅地领会到闪电冲击波的性质。在这里我简要引述一下，感乐趣的知友，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，因温度敏捷上升而引起的闪电冲击波的计较和模拟。其所用的模拟和阐发东西，是开源的计较流体力学程序（open source popular CFD tool: OpenFOAM®），最终给出了冲击波在空间中的传布速度，以及闪电周边气压跟着时候的转变。

上图是冲击波外沿速度，跟着时候转变的模拟成果。红色虚线是近似解的成果，蓝色实线则是CFD软件的求解成果。横轴为时候，纵轴为速度（单元为音速）。可以看到，直到闪电起头后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，在分歧时候内跟着距离分歧的转变。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。别看跟着时候和空间的增添，压强递减得很快。要注重，这张图纵轴的单元，可是bar，也就是100kPa，约为一个尺度大气压。

上述文章所阐发的，是闪电在空气中的冲击波效应。当闪电颠末其他不良导体内部时，其热效应所导致的物体内部水分猛烈蒸发，发生气体。而气体膨胀导致的机械感化，同样会发生冲击波，从而粉碎物体。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仍是有区此外。

当然，闪电对物体的粉碎，并不是只有冲击波粉碎这一个身分。闪电的危险，除了气压转变这类机械效应外，还有热效应等。多重身分下，分歧参数的闪电（好比半峰值时候，峰值电流等），对物体造当作的粉碎水平也分歧。

上图是两种分歧属性的碳纤维织物（CFRP），在分歧峰值电流下雷击尝试的粉碎成果^[2]。可以看到，在冲击波效应和热效应的双重感化下，分歧峰值电流的闪电，会在CFRP上呈现出了分歧的毁伤成果。对闪电所造当作的粉碎感乐趣的小伙伴，可以参考清华大学出书社出书的《现代防雷手艺根本》，领会更多的信息。

总的来说，闪电引起的本家儿要灾难，除了广为人知的电涌损坏，引起火警以外。其所发生的冲击波，也是同样具有粉碎性的。

发表于 2019-08-02 18:37
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