空中对决：飞机与雷神的交锋
陈月清
2025年1月
「铁鸟」展翅高飞，却遇上「雷神」。鹿死谁手？这不是神话故事，而是飞机在某天可能遇到的雷电威力。
在不稳定及潮湿的大气中，云层内的水滴及冰粒在对流活动中产生电荷。当电荷累积而形成的电压大于临界值时，就会引发大气放电现象，产生闪电。一道闪电的电压可以达到一亿至十亿伏特，在百分之一秒间数以十万的安培电流流过[1]。电流流经时，周遭气温瞬间急升至比太阳表面温度还要高，空气迅速膨胀形成冲击波，造成震耳欲聋的轰隆雷响[2]。
根据统计，商用民航客机每年平均遭受雷击一至两次。遭受雷击巨大的威力，飞机为何仍能安然无恙？这是因为「法拉第笼」的原理[3]。英国物理学家麦可．法拉第（Michael Faraday）在1836年发现带电的电导体上的过剩电荷只存在于其表面上，不会影响封闭在其内部的物体，因此飞机的铝合金外壳便对其内部起了「保护」作用。为进一步保障飞机的运行，机上还有额外的「小帮手」发挥支持作用。
图一 飞机的铝合金外壳形成「法拉第笼」，保护机舱内的机组人员和乘客。
放电小帮手 – 放电刷
机翼和机尾末端通常都装有像小型金属尖刺，被称为「放电刷」。根据「高斯静电学定律」，电导体尖端的电荷密度会高于平滑表面的，所以机身上多余的电荷会集中在放电刷的金属针头上。强大电场会令针头附近的空气更容易被电离，发生所谓的尖端放电现象。这有助飞机更有效地将机身的静电释放回大气当中。另外，飞机上的电子设备包括仪表和通信系统都具有更高的雷电防护规格，减低在极端情况下遭雷击而损坏的机会。
图二 安装在机尾的「放电刷」。
伴随雷暴而来的还有不同的恶劣天气，如冰雹、湍流和微下击暴流。因此，在情况许可下，机组人员会选择绕过雷雨区域。除天气预报外，通过机载雷达进行天气监测也是成功避开雷暴的关键。现时，大多数商用民航客机都配备了机载天气雷达系统。这些雷达会发射电磁波，而电磁波遇到积雨云中的冰粒和水滴时，会被反射回来，让机组人员了解雷暴云团的强度和位置，从而安全飞行。
总的来说，即使在飞行旅途中遇上怒不可遏的雷神，各位亦无需惊恐担忧。飞机的独特设计和安全设备皆有效降低雷暴带来的风险。尽管如此，大家在飞行中仍应保持警觉，系好安全带，准备迎接一段可能较为颠簸的旅程。
图三 机载天气雷达系统屏幕上显示出雷暴单体的位置。（图片来源：https://www.weather.gov/media/publications/front/14dec-front.pdf）
参考资料：[1] Frequently Asked Questions About Lightning [只有英文版本]。[2] https://www.cma.gov.cn/kppd/kppdsytj/201606/t20160620_314488.html。 [3] 霹雳金刚罩。