行雷閃電有幾遠

慕尼黑有一樣痴孖根嘅事,就係本來天清氣朗,突然就會行雷閃電一嘢轟落去,問你死未。其實毒 L 一個出街,唔帶遮是常識吧。究竟我仲有幾多時間走去避雨呢?

其實我們是可以很簡單地計算出行雷閃電距離我們有多遠的。首先,說一點關於行雷閃電的科學吧。

上升氣流會造成積雨雲。雨雲產生的時候,由於雲裡面的水份子互相摩擦,所以就會產生靜電。當靜電積蓄到一個程度,其所產生的電場太強,原本不會通電的空氣就會突然變成導電體,電子就會在空氣中流動,產生強大的電流。

這個電流的能量非常高,所以會把四周的空氣加熱,使其發光,即是我們說的閃電。而突然被加熱了的空氣會急速膨脹,膨脹的速度比音速更快。以超音速膨脹的空氣就會產生衝擊波,衝擊波會把空氣的動能變成聲音釋放出去,亦即是我們說的行雷。

另外,有一個小小的冷知識,就是其實閃電不單止會出現在雲與地面之間,也經常會在雲與雲之間發生。如果你是飛機師,應該就會經常看到雲之間的閃電了。

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那我們可以如何計算閃電距離我們有多遠?只需要知道速度 = 距離 / 時間就可以了!把速度和時間交叉相乘,就有時間 = 距離 / 速度。現在我們把光速叫做 c、音速叫做 u、閃電的位置與我們的位置的距離叫做 D,就會有

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其中 T(光) 和 T(音) 分別是閃電發出的光線和行雷的聲音傳送到我們處所需的時間。因為光線比聲音跑得快,所以 T(光) 比 T(音) 的時間短。因此

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ΔT 就是我們看見閃電之後,再聽到雷聲之間的時間差。下一次我們看見閃電後,立即心算「一秒、兩秒、三秒……」直到聽見雷聲為止,就是 ΔT 了。

最後,因為 c 比 u 快非常非常非常多,所以 1/u 比 1/c 大非常非常非常多,所以 (1/u – 1/c) 可以當作 1/u,把 1/c 忽略不計。這樣做絕對沒有問題,不會造成任何明顯的誤差,因為誤差只有百萬分之一左右,我們心算 ΔT 時候的誤差比它大得多了。因此,我們就發現,原來計算閃電位置距離的方法非常簡單:

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假設我們看見閃電後三秒才聽見雷聲,由於音速大約為每秒 340 米,所以閃電的位置距離我們就是 D = 340 x 3,即差不多 1000 米了。(當然這是直線距離,不要忘記雲在天上,所以打橫距離比 1000 米更短。而且,有時候行雷閃電不一定會下雨。)

仲計數?買埋個 M 記返屋企 (自己一個) 睇雷神吧啦。

By David Yu

David Yu is the father of Simba and an Astrophysicist. He obtained his PhD in Astrophysics from the Max Planck Institute of Extraterrestrial Physics, Germany. He was formerly a postdoc at the KTH Royal Institute of Technology, Sweden, and is currently a lecturer at the University of Hong Kong. He served as the host of the RTHK TV31 programme Science Night, the Depute Editor-in-Chief of the Taiwanese Science Magazine Physics Bimonthly, and the Science Consultant of Stand News. The books he authored include Dr David’s 21 Mysteries of The Universe (2021), Space – A Down-to-Earth Astrophysicist (2021), Time – A Spacetime Journey of Astronomy and Physics (2019), and Secrets from the Stars (2017).

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