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如何研究闪电？

人类对雷电的科学探索可以追溯到18世纪初，但是真正的雷电实验开始于18世纪中叶。

如今，科学家们采用多种实验方法来探索闪电的形成机制。中科院大气物理所的陆高鹏博士告诉我们，由于闪电发生的时间和地点的随机性很大，同时闪电放电又具有很强的瞬时性，在极短的时间内发生、发展、结束。因此，要想开展有效的研究，就要设法让闪电出现在特定的时间和地点。科学家们通过现代人工引雷实验可以创造一个有利于闪电形成的条件，使之沿着人为设定的路径上发生，然后通过配套的传感器，通过测量和研究雷电放电电流以及大气和地面电磁场变化情况，得到闪电的相关参数。

首先，研究人员要根据天气预报估计出某地出现强对流天气的时间范围，以及雷暴云的移动路线。只有掌握了这些基本“情报”，才有可能在既定实验场所选择最佳的火箭发射时机进行人工引雷实验。

其次，在雷暴天气中，由于雷暴云聚集了大量电荷，具有非常强大的雷暴电场，虽然难以直接测量雷暴云内的电场大小，不过通过地面电场的测量，也能大致反映出雷暴的发展情况。掌握了电场的变化，结合气象雷达等手段提供的信息并考虑天气的实际发展，科研人员就可以把握较好的引雷条件和时机。

人工引雷实验是向雷暴云发射带有金属导线的小火箭来实现的。小火箭下方缠绕着可以放出几百米长的金属导线，导线的一端接地。以云层底部带负电荷的情况为例，当火箭以约200米/秒的速度升空时，其拖拽的金属导线被迅速拉伸。当火箭上升到200～300米的高度时，由于类似于尖端放电的效应，在导线上端会引发上行正先导。

随着正先导的发展，通道中会流过相应的电流。根据焦耳定律，具有一定电阻的导线通过电流时将会发热，不断积累的热量会使导线熔断。经过极短的时间后，放电通道再次导通，上行正先导进一步向云体发展。随后发生闪电，引雷成功。

与自然状态的闪电不同，人工引雷实验中，火箭上方的闪电通道轨迹依然和自然状态一样，是不规则弯曲或者分叉的；而火箭到地面之间的闪电通道则是笔直的，主要是由于垂直拉伸的引雷导线的作用而导致的。闪电沿着人工设定的路径到达地面的过程中，传感器通过闪电产生的电磁效应，可以测量出一束闪电的瞬时电流强度、电场变化等物理参数。

闪电对地球的意义重大

除了常见的云闪和地闪，地球上还有一些非常奇特的高层大气放电现象。当雷暴云中的对流活动不太强的时候，上升气流会被限制在平流层以下，因此，闪电只表现为对流层里的云闪和地闪。有时候，雷暴云中发生的剧烈闪电活动可能诱发一些特殊的条件，使云内的闪电可以逃出雷暴云顶、直接到达电离层，出现非常奇特的高层大气放电现象。

与地面类似，电离层相当于另一个导体。处于二者之间的雷暴云不仅可以向下发生地闪，在云层中发生云闪，甚至还可以形成向上发展的闪电，直达电离层。这里的闪电规模比我们常见的闪电更为壮观，垂直发展可以达到几十公里。例如，发生在中高层大气的巨大喷流（gigantic jets），可以突破平流层的束缚，直达更高的电离层，其垂直高度可达七八十公里。“红色精灵”(red sprite）则是一种由发生在地面的强烈闪电引起的中高层大气放电效应，一般出现在地面以上40～90公里的高度范围内。

红色精灵

在20年前，科学家们普遍认为，闪电的激发机制和实验室中电火花的激发机制是一样的。也就是说，当大气中的电场增大到一定程度的时候，就会击穿空气，发生放电现象。但是，人们后来用高空气球做了一些探测实验，发现云中并不存在传统击穿理论所预计中的那么大的电场，实测的最大场强一般只有预计的10%～20%左右。这说明，旧理论存在很大缺陷，可能并不能较好解释闪电激发的真实原因。

目前，“逃逸击穿”等高能物理的理论在闪电激发的研究中得到了更多的关注，并获得了一些探测数据的支持。根据这个理论预测出的空气击穿电场阈值和实测值很接近。

即便在晴天，由于天地之间存在一定的电场，电离层和地面之间也在不断地放电。电离层携带的正电荷会因为放电过程而中和，变为电中性，表现为电离层携带的正电荷越来越少。如果这样持续放电的话，在几分钟内就会把电离层中的电量全部放掉，电离层也会随之消失殆尽。

根据人们对闪电的统计研究，在高空放电的过程中，电离层把自己携带的负电荷传递给下方的云层，使自身带正电。另外，发生在云层和地面之间的接地闪电中，负地闪的发生频率最多，与之相对的正地闪的发生频率却要比它少很多。这两种闪电发生频率的不对等现象，说明云层和地面之间的电荷交换并不平衡，这相当于把云层中的负电荷更多地转移到地面。而雷暴云可谓大气与电离层之间的重要电流源。全球每时每刻总有地方在发生雷暴，平均可以产生约1安培（A）的向上电流至电离层，从而维持相对于地面约250kV的电离层电位。所以，对整个地球来说，雷暴可以给电离层充电，使天地之间维持稳定的电势差。

（本文发表于《科学世界》2013年第10期）