你了解雷电吗？或许你从未考虑过这些细节

　　

　　我们都知道雷声是闪电发出的声音，但是如果你从远处听到它，而不是近距离，声音会持续更长的时间。

　　为什么？如果声速是一个常数，那么无论你离多远，所有的声音不应该都在同一时间间隔内到达吗？

　　解释为什么会发生这种情况是一个巨大的挑战，但物理学可以应对挑战。只要确保你使用正确的解释，而不是“明显”（但错误）的解释！

　　如果您曾经遇到过黑暗的雨云和暴风雨天气，您可能经历过伴随它们的两种最显着和令人震惊的现象：雷声和闪电。无论是从近处还是远处，闪电看起来总是一样，但雷声听起来会因距离的不同而大不相同。雷声 - 闪电后产生的声音 - 如果你在附近，通常听起来像一个响亮的鼓掌声，伴随着持续相对较短时间的隆隆声。然而，从远处看，它几乎完全是隆隆声，这些隆隆声更柔和，更持久：持续更长的时间。

　　您可能会考虑几种解释，但只有一种是这种现象的真正罪魁祸首。让我们考虑一下它是如何工作的。

　　一个众所周知的技巧来估计闪电/雷声事件有多远，包括计算在看到闪电后听到雷声第一次到达所需的秒数。每三秒的延迟对应于大约 1 公里（~0.6 英里）的距离。

　　学分：Ken Lund/flickr

　　简单地说，声音是穿过介质的波：无论是气体（如空气）、液体（如水）还是固体（如地球）。如果你曾经了解过穿越地球的地震波，你至少了解了两种类型的波：

　　纵波（或P波）

　　或横波（或S波）

　　这两类波在任何介质中都有不同的速度，所以你可能会想象，你离得越远，不同波的到达时间差异就越大，导致声音“伸展”。

　　这可能是你的第一个科学想法，但不幸的是，你必须拒绝它。虽然纵向 P 波可以穿过固体、液体和气体，但横向 S 波只能穿过固体。您听到的“雷声”仅通过空气传播，因此由于没有横向S波，这种解释对您没有帮助。

　　这幅并排插图显示了平面压缩波或左侧的纵向 P 波，右侧显示了横向 S 波。虽然P波可以穿过固体，液体和气体，但S波只能穿过固体。

　　图片来源：Christophe Dang Ngoc Chan （cdang）/维基共享资源

　　相反，雷声是闪电事件产生的声音：在很小的几分之一秒内快速交换大量的电荷。最多几个库仑的电荷（即超过 ~1019单个电子）通常在雷击中交换，无论是从云到云还是从云到地。随着电子的快速流动，它们会加热甚至电离周围的空气分子，产生非常短暂的“等离子体”状态并导致空气迅速膨胀。

　　这种快速膨胀将周围的空气迅速向外推，然后 - 因为它沿着雷击发生的准直路径创建了一个低密度区域 - 空气冲回以填充临时真空状态。这种快速膨胀和收缩产生了冲击波：压力波，其中空气压缩（即“致密”部分）和空气稀薄（即密度较小或“膨胀”部分）的交替现象发生，通过空气传播。

　　这种空气运动推动颗粒发生连锁反应，这些压缩和稀疏会在空气中传播，直到它们到达您的耳膜，压力变化会导致您的耳膜振动，从而导致您体验到雷声的现象。

　　虽然雷击只是带电粒子的交换，但它会使空气过热到~30，000摄氏度，从而产生以声速在空气中传播的压力波。当压力波与你的耳膜碰撞时，这就是决定你听到的声音的原因。这包括这些压力波在从声源到接收器的过程中发生的所有“有损”和拉伸效应。

　　学分：凯文·基;slworking2/flickr

　　那么，你可能会想，如果声速没有一些变化可能会影响不同的观察者听到它的方式。

　　例如，如果声速与频率有关怎么办？换句话说，如果“低音”（即低频声波）以与中音或高音（具有较高频率）音符不同的速度传播会怎样？

　　这种效应在低密度条件下具有巨大的实际意义，例如在火星大气中。在火星大气中，高频声音的传播速度比低频声音快约4%，这意味着各种声音的到达时间会越远离声音源。

　　但在地球上，声速几乎不随频率变化，因为我们的大气层比火星大气层厚得多。从10赫兹的超低频（低于人类听觉阈值，从20赫兹开始）到100赫兹的适度频率，声速仅变化0.1%，然后从100赫兹一直上升到听力完好的人类可以听到的最高频率（约20，000赫兹）， 声速保持不变。这种频率依赖性在地球上可以忽略不计，并且不能负责声音的“拉伸”效应。

　　这里的三张图显示了声速如何随温度（左）、大气压（中）和频率（右）而变化。虽然不同的湿度导致不同的依赖性，但三个图的y轴尺度表明，声速对温度的变化非常敏感，但对压力或频率的变化则不敏感。

　　学分：Bryan H. Suits/密歇根理工学院

　　如果你想亲自听听差异，加拿大政府的一个网站提供了云对地雷击产生的相同雷鸣声的录音，就像你在各种距离上听到的那样：

　　从 8 公里（5 英里）外，

　　从 3 公里（2 英里）外，

　　从 2 公里（1.2 英里）外，

　　从 1.6 公里（1 英里）远处，以及

　　距离仅 300 米（1000 英尺）。

　　如果你对到达的波进行频率分析，你可能会发现——也许令你惊讶的是——你离得越远，你听到的音调越高的声波就越少。

　　这是一个真实的效果，但这并不是因为波在地球大气层中的传播速度更快或更慢取决于它们的频率。相反，这是因为空气粒子的运动：每秒只压缩和稀有化粒子几次比每秒多次压缩和稀有化粒子更容易。换句话说，与低频声波相比，更高频率的声波被它们传播的介质（即使在地球大气中）吸收和消散。

　　此外，大气中水的存在 - 湿度 - 也会以频率依赖的方式吸收声波。这就解释了为什么你听到的低音隆隆声更多，完全来自远处而不是近距离，但它仍然不能解释为什么更远的声波被拉伸到持续大约三倍于附近的声波。

　　由于温度和密度梯度等因素，以及不同的风速，声波沿着不同的路径从声源到接收器需要不同的时间。接收器离得越远，接收到的声音就越拖沓时间。

　　图片来源：Yggmcgill/Wikimedia Commons

　　然而，有三种非常真实的效果确实会改变声速，比如空气：风、密度和温度。

　　风是一种累加效应：如果风从你身边吹向闪电源，雷声需要更长的时间才能到达。如果风吹向你并远离闪电源，雷声会更快到达。但是风不会在所有位置都以相同的通用速度传播，这很重要，因为雷击不仅仅影响一个点，而是三维空间中的一条“线”。如果风速沿你的视线与闪电“线”沿的不同点不同，声音迟早会到达，这取决于风在你和雷击本身之间的相对速度。

　　密度通常随海拔高度而变化：海拔越高，空气密度越低，而离海平面越近，空气越密集。这意味着在较高高度发生的闪电组件通常比在较低高度（到达较早）的闪电粗体组件移动得更慢（因此到达得更晚）。对于云对地撞击，特别是如果云层位于地面以上相对较高的高度，这种效应可能会导致“延迟”效应。

　　图中的绿线和红线显示了地球上0%湿度空气中声速与气温的关系。红色曲线是易于计算的近似值;绿色曲线更精确，但两者在地球上发现的真实气温下非常匹配。

　　图片来源：Kwikwag & fubar/Wikimedia Commons

　　但即使是风和密度加起来，也不能解释观察到的大部分延迟。对声速影响最大的是温度，其中温度较高的空气对应于通过该介质的更大声速。即使地球上温度变化1°C（1.8°F），声速也会改变2.2公里/小时（1.3英里/小时）。如果您曾经经历过雷暴，那么您无疑会感受到在这些条件下吹来的温暖和寒冷温度变化的风，因为雷暴通常在冷暖空气相互作用时出现。

　　即使是只有几度的微小温度变化，当累积在几公里或几英里的距离上时，也会使声波爆发的到达时间延长几秒钟。当与风和密度变化相结合时，这三种效应结合在一起，可以解释为什么声音的到达时间似乎越远离雷击本身就会被拉得更严重。

　　然而，雷声有一个方面不能用这个来解释：为什么有时你会听到响亮而尖锐的“霹雳”，而其他时候没有这样的特征，而只有低沉的、持续的隆隆声。

　　前景中明亮、突出的闪电是垂直云对地闪电的一个例子。像这样的螺栓通常不超过5公里（3英里）长，并且经常伴随着响亮而迅速的霹雳声，尤其是在附近。

　　图片来源：Rotareneg/Wikimedia Commons

　　你必须记住的一件事是，即使我们看到的“闪电”通常是一条一维线（有时有分支），这条线存在于我们的三维空间中。交换可以建模为完全垂直（云对地）或完全水平（云对云），但这条线通常也会有一个深度：闪电的一部分离你（观察者）更近，另一部分离你更远。

　　当云对地闪电发生时，“深度”部分可以忽略不计。云对地闪电通常是相当垂直的：在连接云和地球中心的假想线上行进。为什么？因为从字面上看，这是电流传播阻力最小的路径：到达地球表面的最短路径。

　　因此，由云对地闪电事件产生的声波：

　　不必穿过极其潮湿的云层，因此它们的高频声音不会受到太大的抑制，

　　在非常短的时间间隔内到达，因为闪电到观察者的距离在闪电的所有点上都非常接近相等。

　　这就是为什么当你有垂直的云对地闪电时，它们产生的声音是尖锐的“霹雳”声，然后只有短暂的隆隆声：由来自螺栓底部的声音到达你与来自顶部的声音之间的时间差决定。

　　这个水平闪电是云对云闪电的一个例子，在德国茨维考上空捕获。垂直闪电通常不超过5公里（3英里）长，而水平闪电有时可能更长。

　　学分：安德烈·卡尔瓦特;又名/维基共享资源

　　另一方面，云到云的闪电通常是一条一维的水平线，并不都在相同的距离上;它的“深度”方向是随机的。闪电的一端通常离观察者更近，而另一端会更远。虽然垂直云对地闪电通常不超过 3-5 公里长（大约 2-3 英里），但水平云对云闪电可能要长得多。事实上，对 2020 年风暴的分析发现了一个创纪录的水平闪电，长度为 477 英里（公里），而且这不是错字！

　　对于云对云的闪电，声音主要是隆隆声，因为霹雳的更高频率的“裂缝”在很大程度上被云层本身的湿度淹没了。声音的持续时间仍然会延长，这取决于你与闪电的距离、风的影响、空气密度的差异以及基于温度的声速变化。然而，当这些声音传播到观察者时，云对云闪电的“近端”和“远端”之间的距离也存在差异。

　　您听到的雷声持续时间不仅取决于声音被传播效果“拉出”的程度，还取决于螺栓本身相对于您所在位置的长度和几何方向。

　　2020年4月29日，从NOAA的GOES-16卫星上的地球静止闪电测绘仪看到的闪电。世界气象组织发现，这个雷暴综合体中的闪电之一是有记录以来最长的闪电，覆盖了477英里的水平距离。

　　信用：NOAA

　　当然，您听到的任何雷鸣般的声音的持续时间都有上限，因为闪电离您越远，击中耳膜的声波强度就越低。根据空气条件，如果条件有利，雷声可能远至~20公里（~12英里），如果条件不利，则只能听到~8公里（~5英里）。请记住，声波中的能量以与声源距离的平方一样扩散，因此当您距离两倍时，您只能获得四分之一的声强;当你距离是原来的 10 倍时，你只能收到原始声音强度的百分之一。

　　当你考虑到声音在更长的时间内被拉出来并且由于风、密度、湿度和温度的影响而减弱了你离得越远的事实时，这结合起来会产生更远的雷击：

　　安静

　　多“隆隆”，少“雷声”

　　并且在更长的时间尺度上可以听到。

　　如果你想把雷声的拉长声和距离归因于一个主要效应，那就是气温。但更全面的事实是，所有这些影响都起作用，导致声波弯曲、被吸收并随着时间的推移以不同的强度和频率撞击您的耳膜。只要记住最重要的部分：雷声越近，你就越应该进入室内。

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