閃電和雷聲同時產生,為何我們先看見閃電,再聽到雷聲呢?關於這個問題,或許很多人知道原因是光比聲音速度快,但為何光比聲音速度快呢?我們從頭說起。
一、為何閃電和雷聲同時產生?
我們最常見的是雲中放電,一般發生在對流層,也就是從地表向上,高到約11千米左右的部分,對流層的熱點是,高度越高,溫度越低。
關於閃電產生的原因,沒有完全探明,目前接受度最廣的說法如下:
積雨雲是閃電的溫床,積雨雲一般高度可達1萬米以上,我們知道對流層高空溫度很低,實際上冰晶在5千米以上就會形成。當積雨雲內的雨滴凍結,帶正電離子會集中在雨滴內冷的地方,帶負電離子會集中在雨滴內較暖的地方,這是實驗已經證實的情況。
因此雨滴外部較冷,帶正電,雨滴內部較暖,帶負電。
隨著雨滴進一步凍結為冰晶,最終會發生破裂,此時雨滴外部帶正電的殼,會破裂成碎片,隨著氣流運動到上方,而較重的雨滴核心,則攜帶負電聚集在雲底。
當雲內電荷差異累積到約數百萬甚至上億伏特時,就會在雲間、雲內和雲底之間發生放電現象。這就好比電容器因為電壓過大,被擊穿了一樣。
擊穿瞬間產生了閃電,閃電周圍的空氣在不到1秒的時間內,加熱到約33000攝氏度,空氣因為快速加熱,產生氣爆炸式的膨脹,進而產生聲波,這就是雷聲。
由此可見,雷聲跟閃電是同時產生的。
二、為何先看到閃電後聽到雷聲?
雷聲跟閃電本質就是聲音和光,而光(閃電)的傳播速度遠遠大於聲音(雷聲)的傳播速度。具體來說,光速大約在30萬公里每秒,而聲速大約在343米每秒,也就是光比聲音大致快100萬倍,這是什麼概念?
如果光和聲音比賽,同時繞地球一週,對於光來說,只需要約0.134秒,而對於聲音,則需要大約32小時。
我們透過這個特性,可以簡單估算閃電距離我們有多遠。
假如閃電距離人1000米,當人看到閃電後,過大約3秒鐘,才會聽到雷聲。一看到閃電,立刻心中默默數秒,然後一秒對應距離大致在333米左右,算出結果後,害怕打雷的同學或許就能安心了。
光比聲音快100萬倍,一般《十萬個為什麼》解釋到這裡,就止步了,如果把這原因當問題,背後有沒有更深層次的原理呢?
三、為何光比聲音速度快?
光波是電磁波,而聲音則是機械波。這兩種波的差異,決定了它們傳播速度的差異。
首先說電磁波,光波作為波長在380到800奈米之間的電磁波,本身就是從原子、分子內輻射出的高頻電磁場,這個過程屬於核反應,具有極高的能量,因此不需要介質就能傳播。
而聲音作為機械波,本質由物體的振動產生,類似多米諾骨牌一樣,所以必須依靠介質傳播。一旦沒有介質,比如人進入太空,就無法聽到聲音。
光波依靠電磁場傳播,並且光波的產生需要極高的能量,相比之下,物體振動能量低得多,並且還離不開介質,上述差異使得光比聲音速度快。
回到問題:為何先看見閃電,再聽到雷聲呢?你是不是有了更深的認識呢?
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