互动科普

有研究表明，地球上最早出现的与生命有关的物质很可能是在闪电的激发下形成的。那么，自然界中绚丽壮观的闪电是怎样形成和发展的？它对地球有什么作用呢？

要说起闪电的形成过程，还得从雷暴天气发生之前的晴天谈起。

由于地球是良导体，自身的电容量很大，因此，人们将地球的电势规定为0。在距离地球表面60公里以上的区域是电离层，本身带有一定量的正电荷。于是，带正电的电离层和电势为0的地面就组成了一个电容器，二者之间的电势差（电压）可达250千伏（kV）。即便是晴天，地面附近的电场强度也会达到约100伏/米。也就是说，在人的头顶和脚底之间也有上百伏的电压。不过，这个电压不会对我们造成任何影响。

而雷暴天气时的大气电场与之相比，则有很大差别。雷暴云是可以产生雷暴的积雨云，位于地面和电离层之间，距离地面几公里至十几公里，内部有很强烈的对流运动。因为雷暴云内的正负电荷被分别集中于特定的区域，具有明显的分层特征，使原来晴天大气中带电粒子的分布状况和电场的强度发生极大的改变。科学家们测出，当发生闪电的时候，雷暴云中的电场强度非常高，电压降可达几十万伏/米，雷暴云与地面之间的电压甚至能达到上亿伏。

对流运动使电荷分离

那么，雷暴云为什么会有如此大的电场强度呢？

虽说雷暴云中的粒子都是由水组成的，但是随着高度和温度、压力的不同，水呈现出不同的面貌。气态的水称作水汽，若随着空气膨胀过程变冷就形成液态的水滴，进一步冷却，则会形成固态的冰晶、雪晶、雪花、霰粒、小雹粒等等。以上这些粒子的粒径和比重都不相同，原本都是电中性的，它们在对流层中随着气流运动而上下飞舞、互相碰撞。由于不同的粒子束缚正、负电荷的能力有所不同，于是，不同的粒子碰撞的过程中，互相带上了不同极性的电荷。这就像用摩擦毛皮和橡胶棒的方法分离电荷，最终，使毛皮带正电，橡胶棒带负电。

通常情况下，云层里的冰晶更容易带正电，冰雹和水滴更容易带负电。由于冰晶比冰雹和水滴轻，在强对流活动的驱动下，这些粒子逐渐带上了电荷，所处的位置也逐渐出现分异：较轻的冰晶携带正电荷位于云层上部，较重的冰雹和水滴携带负电荷位于云层下部。尽管每个粒子带的电量是非常小的，但是由于云层里的粒子数量极其巨大，聚集在一起就能体现出宏观效应。同时，由于对流运动非常复杂，云层的电荷分布会在局部位置出现反常。这样，雷暴云便体现为三个典型的带电区域：上部正电荷区，下部负电荷区，同时，在云层最下方还存在小范围的正电荷区。当雷暴云中电荷分离达到一定程度，导致云内的电场积累增强，最终导致空气击穿并进一步形成闪电。

当雷暴云中的带电粒子在竖直方向上运动到对流层顶时，会受到上方的平流层压制，然后沿着平流层横向扩散开来，于是，把一个区域的电荷搬运到另一个区域。因此，在大片的雷暴云之间，即使水平距离很远，也经常会携带不同的电荷，彼此之间也存在电势差。

闪电的过程

闪电的种类很多，根据发生位置的不同可以分为两类：发生在云层之间的闪电称为“云闪”，发生在云层到地面的闪电称为“地闪”。由于对人类社会造成较大危害的是地闪，所以人们对它的研究相对而言更为详细。其实，绝大多数闪电都是发生在云层之间的，无论发生的频率和规模都远超地闪。

在地闪中，如果雷电将云层中的正电荷输送到地面，称为“正地闪”；如果将云层中的负电荷输送到地面，称为“负地闪”。从云中向地面发展的闪电称为“下行闪电”，反之则称为“上行闪电”。所以，地闪一般而言分为4类，即下行负地闪、下行正地闪、上行负地闪和上行正地闪。

其中，下行负地闪约占所有地闪的90%以上。接下来，我们就以它为例，来看看一次完整的闪电是怎样发生的吧。

负极性梯级先导从雷暴云向下发展，先导接地后，会产生迅速向上发展的回击过程。

预击穿

闪电最开始的阶段叫做“预击穿”。这个阶段发生在云层中，很难进行直接观测，目前还不是很清楚闪电在这个阶段的发生机制。此时，云层里的电场已经强到一定程度，达到即将击穿^注空气的状态。预击穿阶段形成的高电场将云中的部分空气电离，形成导电通道，为闪电的先导做准备。

先导

预击穿过程后，将产生从雷暴云向下发展的先导，它是开辟和建立云与地之间放电通道的过程。下行负地闪的先导（最前端）携带着负电荷，可以发出微弱的光。在电场的作用下，它能把前进通道中的空气激发成导电的等离子体，然后沿着导电通道前进。

先导得以向前发展传播，都是通过其前部的“雪崩”电离而开辟新的通道。为了使先导持续传输，在通道的尖端必须具有高电位和较高的电荷密度，以产生空气击穿所需要的强电场。

我们会发现，一道闪电总是由一道道折线组成的锯齿状，闪电的走向也毫无规律可言。这是为什么呢？原来，由于雷暴电荷的作用和复杂的地表特征，空气中会存在多个不同的电荷区域。受它们的影响，从云层到地面之间的电场方向并不是从云层底部垂直到地面的，而是沿不同方向经常变化的。

先导在云到地面的空间里向下发展，像一段段折线连接而成，称为“梯级先导”。

由于空气中存在湍流，会使闪电通道上等离子体的分布状况变得复杂。当先导在传播的途中遇到了不同方向的电场时，就会改变传播路径。我们把闪电的照片放大后就会发现，其实闪电的每个转折点都存在一定的分叉现象。导电通道发生分叉时，其中一条通道占据了主导地位，闪电先导可以向下继续发展；而另外一条通道发展的很有限，先导的传播很快就中止了。当两支或多支分叉同时发展，并在之后形成更多的先导分叉，就形成了我们常见的树枝状结构的闪电放电图像。

从云层向下传播的负先导在发展到近地面一定高度的时候，其导致的强电场会诱发地面的物体尖端产生击穿空气放电，向上发展，形成所谓的“迎面先导”，从下向上发展，并携带着正电荷，与上方的先导电性相反。

回击

当下行梯级先导和上行迎面先导两个先导连接起来的时候，就形成了雷暴云与地面之间的一条完整的等离子体通道，将来自两端的正负电荷中和，这个阶段称为“回击”。

当下行的先导接地后，会形成强烈的回击放电过程。回击过程是从地面向上发展的，回击电流沿着之前由先导已经“探明”的导电通道，迅速上窜，其速度甚至能接近光速。这时，这条通道里的空气都变成了等离子体，一条完整的导电通道终于形成，云端的负电荷沿着等离子体通道向地面大量传输，释放出大量的能量。一次闪电的电流峰值能达到20～50千安（kA），甚至上百千安，被中和的电荷最多可达几百库伦（C）。这些能量被空气中的氧气、氮气分子吸收后，使分子中的电子从低能级跃迁至高能级。紧接着，这些被激发的电子又从高能级跃迁到低能级，一部分能量在可见光的波段释放出来，于是我们就可以看到闪电发出的耀眼光芒。同时，由于导电通道上的空气在短时间内变成等离子体，温度可以在瞬间达到30000开（K），通道周围的空气因为加热而迅速膨胀。这种空气膨胀造成的冲击波，就形成了我们在闪电发生时所听到的雷声。

尽管闪电和雷鸣几乎是同时发生的，但由于光波和声波在空气中的传播速度差别很大，所以，通常我们会先看到闪电，过几秒或十几秒后才能听到雷声。根据闪电发光和所听到雷声的时间差，还可以粗略的估算出闪电发生位置与我们所在位置之间的距离。

（本文发表于《科学世界》2013年第10期）