從天空引雷電利用？也許不是個(gè)好主意……

馬劍

單次雷電的能量有多大？

關(guān)于雷電的能量，有說一個(gè)雷的能量相當(dāng)于幾千克石油的，也有說一個(gè)雷的能量夠一座城市用兩年的，眾說紛紜，到底哪種說法靠譜呢？想要知道答案的話，最好用專業(yè)的參考資料進(jìn)行計(jì)算，這里我推薦選用大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的教科書《高電壓技術(shù)》，這本書中對(duì)雷電進(jìn)行了系統(tǒng)的講解，還提供了較詳細(xì)的數(shù)值模型。OK，下面就開啟我們的計(jì)算之旅吧。

只考慮常規(guī)雷電的話，雷電對(duì)地放電的過程可分為三個(gè)階段：（1）先導(dǎo)放電;（2）主放電;（3）余輝放電。

首先是先導(dǎo)放電。先導(dǎo)放電的作用是建立雷電通道，相當(dāng)于“鋪路”。我們要探究的雷電能量，就是空中的雷云對(duì)地放電的能量。通常雷云的上部帶正電荷，下部帶負(fù)電荷，這些聚集在下部的負(fù)電荷在附近地面感應(yīng)出大量正電荷，當(dāng)雷云與大地局部電場強(qiáng)度達(dá)到大氣游離所需的電場強(qiáng)度（約25—30 kV/cm）時(shí)，就會(huì)使空氣游離，形成先導(dǎo)放電通道。

先導(dǎo)放電建立導(dǎo)電通道的過程有點(diǎn)像“扭秧歌”，每一步都挺快，但走一步歇一會(huì)，整體速度就非常慢了，為100—800 km/s，只有光速的千分之一左右，這個(gè)過程持續(xù)0.05—0.1 s。

先導(dǎo)放電的瞄準(zhǔn)對(duì)象通常是地面上高聳突出的物體，這些物體周圍電場強(qiáng)度比較大，所以會(huì)出現(xiàn)向上的“迎面先導(dǎo)”現(xiàn)象。因此，在雷雨天，我們要避開大樹、避雷針等尖銳、高大的物體，同學(xué)們要記住哦。

關(guān)于能量，先導(dǎo)放電過程中電流比較小，相對(duì)于雷電的整體能量，其能量可以忽略不計(jì)。

然后是主放電，這也是主要的雷擊放電過程。在先導(dǎo)放電過程建立了平坦通暢的放電通道之后，電荷就可以暢通無阻地“飛馳”了。在放電通道中，帶負(fù)電的電子向下運(yùn)動(dòng)流向大地，正電荷向上運(yùn)動(dòng)，兩者相互中和。這樣的大量電荷流動(dòng)，形成主放電過程。

主放電過程通常會(huì)出現(xiàn)非常大的脈沖電流，產(chǎn)生強(qiáng)烈的光和熱，使空氣急速膨脹、震動(dòng)，這就是我們看到的閃電和聽到的雷聲。主放電的發(fā)展速度非常快，約2×104-1.5×105km/s，比起前面的“扭秧歌”可是快了幾百甚至上千倍。

主放電過程持續(xù)時(shí)間極短，一般不超過100 μs（微秒），但是電流非常大，峰值高達(dá)幾十甚至上百千安培（kA），之后衰減形成雷電流沖擊波形。我們選擇其中最簡單的波形進(jìn)行計(jì)算。主放電過程的電流計(jì)算公式為i=，其中，i是對(duì)零電阻通路的雷電流值，為幾十到上百千安培，我們將峰值取大些，算100 kA吧（順便一提，這么大的雷電流并不常見）;參數(shù)Z0是沿著雷擊通道運(yùn)動(dòng)的電壓波與電流波的比值，有關(guān)規(guī)程建議取300—400 Ω，這里我們按350 Ω估算; Z是被雷擊物體的波阻抗，設(shè)被雷擊物體末端電壓為零，承接全部能量（按純熱量估算），使用能量計(jì)算公式，并對(duì)Z求導(dǎo)可以計(jì)算出，被擊物體取Z=Z0可以得到最大的電擊能量，所以也是取350 Ω。經(jīng)過計(jì)算可以得出，此過程能量合計(jì)0.8+24.3=25.1（kWh）（實(shí)際上還得打折哦）。

最后是余輝放電過程，剩余電荷“發(fā)揮余熱”。這個(gè)過程是云的剩余電荷沿著主放電通道繼續(xù)流向大地的過程，電流比之前小很多，只有10—1000 A，持續(xù)時(shí)間大概為0.03—0.05 s。

實(shí)際上，電流是按指數(shù)衰減的，為簡便起見，我們按線性計(jì)算（結(jié)果會(huì)偏大），從1000 A衰減到0 A，時(shí)間取0.05 s，得到的結(jié)果大約為5845 kJ，相當(dāng)于1.6 kWh。

綜上所述，一個(gè)典型的雷擊所攜帶的能量大概有25.1+1.6=26.7（kWh）這么多。假設(shè)我們技術(shù)無比先進(jìn)，以100%的利用率捕捉到了這些能量，而且能轉(zhuǎn)換為居民用電的話，也就是26.7度電而已，按每度電0.5元計(jì)算的話，約相當(dāng)于電費(fèi)13.4元。注意，這個(gè)還是偏高的數(shù)值，實(shí)際上還要打折。嗯，打一個(gè)雷只有13.4元，雷神你放電的這一錘子還不如裝修師傅的貴呢……

雷神：“為啥咧？”

為啥？很簡單，因?yàn)槟芰?功率×?xí)r間（實(shí)際上是功率對(duì)時(shí)間的積分），雷電的功率確實(shí)非常高，但持續(xù)時(shí)間短得離譜，所以總體的能量并不高。

雷電的數(shù)量有多少？

有人又會(huì)說了，蚊子再小也是肉啊，萬一雷神是個(gè)打架子鼓的呢？如果人家一口氣“咚咚咚咚”地打好多雷，不也很有經(jīng)濟(jì)價(jià)值嗎？

那我們?cè)偎闼憷纂姷臄?shù)量。衡量雷電數(shù)量，有個(gè)參數(shù)叫作“地面落雷密度”，用于計(jì)算在一個(gè)雷暴日（只要這天打雷就算雷暴日）中，每平方千米地面上的平均落雷次數(shù)。這個(gè)值與地區(qū)有關(guān)，以長江流域附近每年有雷暴日40天左右為例，地面落雷密度大約是0.07。

想要充分吸收這些雷的話，我們需要使用引雷的設(shè)備——避雷針。需要多少避雷針呢？關(guān)于避雷針的有效范圍（保護(hù)半徑）問題，《高電壓技術(shù)》一書中給出了計(jì)算公式。簡單來說，避雷針的有效范圍是避雷針高度的1—1.5倍，保護(hù)對(duì)象高度越低，保護(hù)范圍越大。為了方便，我們將保護(hù)對(duì)象按地面（高度為0）計(jì)算吧，避雷針高度選用超高的120 m，其保護(hù)半徑也是120 m，以正六邊形密鋪的方式計(jì)算（合每個(gè)避雷針保護(hù)3.74萬平方米的面積），那么平均每平方千米需要大約26.7個(gè)避雷針。

有這么多避雷針，才能在每個(gè)雷暴日每平方千米獲得0.07個(gè)雷的能量，假如將其100%轉(zhuǎn)換為居民用電的話，相當(dāng)于每平方千米全年約可節(jié)省電費(fèi)37.5元……說真的，就算刷一小時(shí)盤子，賺的可能都比這個(gè)多。

結(jié)論

到這里我們明確了：（1）單次雷擊的能量并沒有多大;（2）雷擊的密度也并不大。因此，即使不考慮技術(shù)水平和安全性，利用雷電仍然是一件非常不經(jīng)濟(jì)的事情，“從天空引雷電利用”并不是個(gè)好主意。