我们开始破解雷电和雷暴如何工作的奥秘。 地平线杂志

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-我们每秒收到大约100次打击-在您读完这句话时,它遍及全球。

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,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。

精灵

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,研究了一个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提出了多年的怀疑。 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,因此放电会更加缓慢且温度较低。 闪电会产生比太阳表面更热的温度。 但是卢克博士说,精灵放电通道的温度与周围的空气几乎相同。

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微不同的方式自身起作用,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进行并不能帮助我们降低雷电的危险性。 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。

欧洲的天气被称为温带气旋的空气系统所控制,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,并且为此使用的模型是基于温带气旋的。 这样做的麻烦在于,它无法解释被认为罕见的风,就像雷暴一样。

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,雷暴往往会产生从大约100m开始的风,然后向下吹,随着风的下降,风会增强。 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。 第一步是采取在加拿大安大略大学的世界级风洞中制造的合成雷暴,并对此进行建模。 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,他正在着手建模真实的雷暴,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。

本文中的研究由欧盟欧洲研究理事会资助。 如果您喜欢这篇文章,请考虑在社交媒体上分享。


This article – “我们开始破解雷电和雷暴如何工作的奥秘。 地平线杂志
” – was originally published in Horizon, the EU Research & Innovation magazine

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