从天空引雷电利用？也许不是个好主意……

马剑

单次雷电的能量有多大？

关于雷电的能量，有说一个雷的能量相当于几千克石油的，也有说一个雷的能量够一座城市用两年的，众说纷纭，到底哪种说法靠谱呢？想要知道答案的话，最好用专业的参考资料进行计算，这里我推荐选用大学电气工程及其自动化专业的教科书《高电压技术》，这本书中对雷电进行了系统的讲解，还提供了较详细的数值模型。OK，下面就开启我们的计算之旅吧。

只考虑常规雷电的话，雷电对地放电的过程可分为三个阶段：（1）先导放电;（2）主放电;（3）余辉放电。

首先是先导放电。先导放电的作用是建立雷电通道，相当于“铺路”。我们要探究的雷电能量，就是空中的雷云对地放电的能量。通常雷云的上部带正电荷，下部带负电荷，这些聚集在下部的负电荷在附近地面感应出大量正电荷，当雷云与大地局部电场强度达到大气游离所需的电场强度（约25—30 kV/cm）时，就会使空气游离，形成先导放电通道。

先导放电建立导电通道的过程有点像“扭秧歌”，每一步都挺快，但走一步歇一会，整体速度就非常慢了，为100—800 km/s，只有光速的千分之一左右，这个过程持续0.05—0.1 s。

先导放电的瞄准对象通常是地面上高耸突出的物体，这些物体周围电场强度比较大，所以会出现向上的“迎面先导”现象。因此，在雷雨天，我们要避开大树、避雷针等尖锐、高大的物体，同学们要记住哦。

关于能量，先导放电过程中电流比较小，相对于雷电的整体能量，其能量可以忽略不计。

然后是主放電，这也是主要的雷击放电过程。在先导放电过程建立了平坦通畅的放电通道之后，电荷就可以畅通无阻地“飞驰”了。在放电通道中，带负电的电子向下运动流向大地，正电荷向上运动，两者相互中和。这样的大量电荷流动，形成主放电过程。

主放电过程通常会出现非常大的脉冲电流，产生强烈的光和热，使空气急速膨胀、震动，这就是我们看到的闪电和听到的雷声。主放电的发展速度非常快，约2×104-1.5×105km/s，比起前面的“扭秧歌”可是快了几百甚至上千倍。

主放电过程持续时间极短，一般不超过100 μs（微秒），但是电流非常大，峰值高达几十甚至上百千安培（kA），之后衰减形成雷电流冲击波形。我们选择其中最简单的波形进行计算。主放电过程的电流计算公式为i=，其中，i是对零电阻通路的雷电流值，为几十到上百千安培，我们将峰值取大些，算100 kA吧（顺便一提，这么大的雷电流并不常见）;参数Z0是沿着雷击通道运动的电压波与电流波的比值，有关规程建议取300—400 Ω，这里我们按350 Ω估算; Z是被雷击物体的波阻抗，设被雷击物体末端电压为零，承接全部能量（按纯热量估算），使用能量计算公式，并对Z求导可以计算出，被击物体取Z=Z0可以得到最大的电击能量，所以也是取350 Ω。经过计算可以得出，此过程能量合计0.8+24.3=25.1（kWh）（实际上还得打折哦）。

最后是余辉放电过程，剩余电荷“发挥余热”。这个过程是云的剩余电荷沿着主放电通道继续流向大地的过程，电流比之前小很多，只有10—1000 A，持续时间大概为0.03—0.05 s。

实际上，电流是按指数衰减的，为简便起见，我们按线性计算（结果会偏大），从1000 A衰减到0 A，时间取0.05 s，得到的结果大约为5845 kJ，相当于1.6 kWh。

综上所述，一个典型的雷击所携带的能量大概有25.1+1.6=26.7（kWh）这么多。假设我们技术无比先进，以100%的利用率捕捉到了这些能量，而且能转换为居民用电的话，也就是26.7度电而已，按每度电0.5元计算的话，约相当于电费13.4元。注意，这个还是偏高的数值，实际上还要打折。嗯，打一个雷只有13.4元，雷神你放电的这一锤子还不如装修师傅的贵呢……

雷神：“为啥咧？”

为啥？很简单，因为能量=功率×时间（实际上是功率对时间的积分），雷电的功率确实非常高，但持续时间短得离谱，所以总体的能量并不高。

雷电的数量有多少？

有人又会说了，蚊子再小也是肉啊，万一雷神是个打架子鼓的呢？如果人家一口气“咚咚咚咚”地打好多雷，不也很有经济价值吗？

那我们再算算雷电的数量。衡量雷电数量，有个参数叫作“地面落雷密度”，用于计算在一个雷暴日（只要这天打雷就算雷暴日）中，每平方千米地面上的平均落雷次数。这个值与地区有关，以长江流域附近每年有雷暴日40天左右为例，地面落雷密度大约是0.07。

想要充分吸收这些雷的话，我们需要使用引雷的设备——避雷针。需要多少避雷针呢？关于避雷针的有效范围（保护半径）问题，《高电压技术》一书中给出了计算公式。简单来说，避雷针的有效范围是避雷针高度的1—1.5倍，保护对象高度越低，保护范围越大。为了方便，我们将保护对象按地面（高度为0）计算吧，避雷针高度选用超高的120 m，其保护半径也是120 m，以正六边形密铺的方式计算（合每个避雷针保护3.74万平方米的面积），那么平均每平方千米需要大约26.7个避雷针。

有这么多避雷针，才能在每个雷暴日每平方千米获得0.07个雷的能量，假如将其100%转换为居民用电的话，相当于每平方千米全年约可节省电费37.5元……说真的，就算刷一小时盘子，赚的可能都比这个多。

结论

到这里我们明确了：（1）单次雷击的能量并没有多大;（2）雷击的密度也并不大。因此，即使不考虑技术水平和安全性，利用雷电仍然是一件非常不经济的事情，“从天空引雷电利用”并不是个好主意。