[What if]第16期——今天说闪电

原作:http://what-if.xkcd.com/16/

翻译:junglerubik

校对:Ent

  • 在雷暴时呆在泳池里到底有多危险?—Jay Gengelbach
  • 如果在洗澡时被闪电击中会发生什么?如果站在瀑布下面呢?—same3chords
  • 如果所乘坐的船只或飞机被闪电击中了会发生什么?潜水艇呢?—SoobNauce
  • 如果在无线电塔上换灯泡的时候被闪电击中会发生什么?如果在做后空翻的时候被击中呢?如果站在石墨广场上呢?如果正抬头盯着闪电呢?—Danny Wedul
  • 如果闪电击中了飞行途中的子弹会发生什么?—Timothy Campbell
  • 如果在雷暴时刷BIOS并被闪电击中会发生什么?—njsg

在进一步讨论之前,我想强调几点:

我并不是雷电安全方面的专家。我只是个在网上画画的家伙罢了。我喜欢看东西着火和爆炸,这意味着你的安全并不是我优先考虑的东西。雷电安全方面的专家是那些在美国国家气象服务中心工作的人们:http://www.lightningsafety.noaa.gov/

好吧,丑话已经说在了前头……

为了回答这些问题,我们需要知道闪电可能击中的位置。判断位置有个很酷的技巧,我现在就告诉你们:假想一个半径为60米的球体滚过地面,看它会碰到什么。

人们常说闪电会击中附近最高的东西。这种不精确得令人发指的说法足以激起各式各样的疑问。多远的距离算“附近”?我是说,不是所有的闪电都击中珠穆朗玛峰对吧。难道闪电会击中人群中最高的人?我认识的人中最高的大概是瑞安·诺斯(古生物学家们估计他直立时肩高5米)。(#此处有梗#Ryan North是著名网漫Dinosaur Comics的作者。)我是不是应该出于闪电安全原因而整天和他在一起?出于其他原因又如何呢?(这大概就是为什么在这个博客上提问的人是你们,而不是我。)

但闪电是如何选择目标呢?

Tom A. Warner 拍摄的这段视频(YouTube),可能是我见过的最酷镜头没有之一。视频展示了一次以每秒7207帧的速率记录下来的闪电。这段33秒的视频只展现了真实时间不到十分之一秒里所发生的事情。慢动作回放闪电的视频有很多,但是这是目前为止我所找到的视频中最棒的。


通过Tom的视频我们可以看出闪电是如何移动的。它起始于一束自云层向下分叉的电荷——也就是“梯级先导”。这就是你们在视频的开头部分所看到的。它以每秒几十到几百公里的速度向下散开,在几十毫秒内向下延伸好几公里。

梯级先导携带的电流相对较小,大约200安培。虽然这足以电死你,但是和随后所发生的相比根本不算啥。一旦梯级先导接触到地面,云层和地面在多达20000安培的强烈放电中达到电势平衡。这就是你所看到的耀眼闪光。它会以略低于光速的速率沿着通道向上回击,在一毫秒内回到云层——这一过程在视频里仅有一帧。

(专业细节:虽然这个过程叫做“回击”,但电荷依然是向下运动的。不过放电看起来是向上进行的。这种现象就像红绿灯变绿或者其他色彩时,车流的前端先开始移动,之后才是后端,所以运动看起来是向后传播的。)

所以你看到的被闪电击中的地点是梯级先导最先与地面接触的地方。梯级先导小跳着穿过空气向下移动,最终一路摸索接触到地面的正电荷(通常来说)。然而它只能“感觉”到尖端几十米范围内的电荷。如果在这样的距离内有接地的物体,闪电就会跳向它。否则,它将半随机地跳向某一个方向并重复这个过程。

上文提到的半径60米的球就在这里起作用的。这是一个想象梯级先导会最先感觉到哪一点的方法——或者说它接下来(最终)可能会跳向的地方。

为了弄清楚闪电会击向何处,你可以想象一个半径60米的圆球滚过地表(为安全起见,请勿使用真正的球)。这个圆球可以爬过树木与建筑,但不会穿过任何东西(也不会把它们卷走)。但凡那些与球面接触的地方——树梢,栅栏,在球场上打高尔夫的人——都是闪电的潜在目标。

这意味着你可以计算平地上高度为h的物体的闪电“阴影”。

所谓“阴影”,指的是一片区域,在这片区域里梯级先导更可能击中那个高物体而不是周围的地面:

注意,这并不意味着站在这片区域里你就是安全的——很多时候恰好相反。在闪电击中那个高物体之后,电流会流向大地。如果你当时在附近接触着地面,电流就可能流过你的身体。今年到目前为止被闪电劈死的28人中, 有13个人当时站在树下或附近

了解上面这些之后,我们来看看在问题中所设定的情况下闪电可能会经过的路线。

在雷暴时呆在泳池里到底有多危险?

相当危险。水是可导电的,但那不是最大的问题。最大的问题是如果你正在游泳,那你的头会伸出一大片平坦水面。即使闪电击中的是你身边的水你也会很惨。两万安培的电流大都沿着表面向四周扩散。但你会在什么距离下受到多大程度的电击却很难计算。

我猜在至少几十米的范围内你都会很危险——而且在电阻高的淡水中会更危险,因为电流会更喜欢流过你的身体走捷径。

如果在洗澡时被闪电击中会发生什么?如果站在瀑布下面呢?


你的危险并不来自于喷头喷出的水——它们只是空气中的水滴而已。真正的威胁来自于你脚下的浴缸,以及与水管接触的积水。

如果所乘坐的船只或飞机被闪电击中了会发生什么?潜艇呢?


没有船舱的小船大概与高尔夫球场一样安全。有密闭船舱以及雷电保护系统的船大概与汽车一样安全。潜艇大概与水下的保险箱一样安全。(不要把水下的保险箱(a submarine safe)和潜艇里的保险箱(a safe in asubmarine)弄混了——潜艇里的保险箱比水下的保险箱安全多了。)

#本句原文是文字游戏:A submarine is about as safe as a submarine safe ( a submarine safe is not to be confused with a safe in a submarine — a safe in a submarine is substantially safer than a submarine safe ) 请大家自行欣赏。

如果在无线电塔上换灯泡的时候被闪电击中会发生什么?如果在做后空翻的时候被击中呢?如果站在石墨广场上呢?如果正抬头盯着闪电呢?

如果闪电击中了飞行途中的子弹会发生什么?

子弹并不会影响闪电选择的路线。你必须设法抓准时机才能让子弹射出后在回击发生时刚好进入闪电。

闪电核心的直径大概有几厘米。从AK47射出的子弹大概有26毫米长,以每毫秒700毫米的速度运动。

子弹的铅质核心外有一层铜质外壳。铜是极佳的导电体,20000安培电流中的大部分都会流过子弹走捷径。

令人吃惊的是,子弹应付这些电流还挺绰绰有余。如果子弹静止不动,电流就会很快加热金属使其融化。但是子弹飞得那么快,升温几度之后就飞出闪电了。它会继续飞向原先的目标,几乎不会受到什么影响。闪电周围的磁场会产生一些有趣的电磁力,但我检验过的力中没有一个会影响大局。

如果在雷暴时刷BIOS并被闪电击中会发生什么?

What if 系列:https://songshuhui.net/archives/tag/what-if

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