闪电揭秘

美国国家航空和航天局供图
闪电是自然界最美的景观之一 ，但它也是人类所了解的最为致命的自然现象之一。闪电的温度甚至超过太阳表面，而且其冲击波向各个方向传播，足以证明闪电蕴含着重要物理科学知识。
除了摄人心魄的美丽，闪电还以最神秘莫测一面展现出奇特的科学：它的原理是什么？众所周知，闪电由带电的暴风雨系统产生，但云层以何种方式带电，仍难以捉摸。
本文将彻底研究闪电，让您了解这一现象！
水循环是闪电中毫无神秘感的一面。为了彻底了解水循环的工作原理，我们必须首先理解蒸发和凝结的原理：
蒸发是液体吸收热量，变成水蒸气的过程。雨后的水坑可以很好地说明这一点。水坑为什么会变干？水坑中的水吸收了太阳和环境中的热能，以水蒸气的形式溜走了。讨论蒸发时，“溜走”这个词用得很形象。液体受热时，分子会更加快速地移动。有些分子的移动速度非常快，足以从液体表面分离出来，并以水蒸气或气体的形式带走热量。一旦摆脱液体的束缚，水蒸气就开始升入大气中。
 
凝结是水蒸气或气体失去热量，变成液体的过程。热传递都是从较高温度向较低温度传递的。冰箱就是利用这一原理来冷却饮料和食物。它提供一个能够吸收饮料和食物中的热量的低温环境，并以制冷循环的方式带走热量。从这个角度而言，大气层对气体和水蒸气就像一个巨型冰箱。水蒸气或气体上升时，周围空气的温度越来越低。很快，大气就开始抢走水蒸气从“母”液体那里带走的热量。随着水蒸气上升到高度更高、温度更低的空气中，其损失的热量足以使水蒸气开始凝结并返回到液态。
现在让我们将这两个原理运用到水循环中。

地面的水或水气吸收太阳和周围环境的热量。在吸收了足够的热量后，某些液体分子便有足够的能量从液体中脱离出去，并以水蒸气的形式飘散到空气中。在水蒸气不断上升的过程中，周围空气的温度会变得越来越低。最终，水蒸气的大部分热量会散失到周围的空气中，从而使它再次变回液态。地球的万有引力使液体“下落”到地面，从而完成整个循环过程。应注意的是，如果周围空气的温度足够低，水蒸气就会结冰形成雪晶或冰雹。同样，万有引力会吸引结冰的水蒸气，使其返回地面。
在电闪雷鸣的暴风雨中，暴风云充满电荷就像浮在空中的巨型电容。云层上半部分带正电，下半部分带负电。科学界对于暴风云如何获得这些电荷尚未达成共识，但以下说明可以提供一个看似合理的解释。

电容电容是一种电气装置，由通过绝缘介质分开的两个导电表面构成。在导电表面上施加电压时，导电表面的电荷分离形成的电场可以存储电能。
用一片塑料包装纸隔开两片铝箔，您可以制成一个简易电容。电容的质量取决于这两片铝箔的大小、塑料纸的绝缘效果及厚度 ——两片铝箔靠得越近，电容质量越高。一个好的大型电容能够轻易存储足以熔化螺丝刀的电能。
暴风云就像一个巨型电容。云层的顶部和底部就好比是两片铝箔。云层这个电容，可以存储大量的电能。
水循环过程中，水蒸气蓄积在大气中。蓄积的水蒸气就是我们看到的云。有趣的是，云可以积聚数以百万悬浮在空中的水滴和冰晶。随着蒸发和凝结的不断发生，这些水滴与随高度上升而发生凝结的水蒸气不断碰撞。此外，上升的水蒸气还可能与正在落向地面或者位于云层下部的冰晶或冰雹碰撞。这些碰撞的重要性在于，它会撞离上升水蒸气中的电子，从而形成电荷分离。
新碰撞出来的电子聚集在云层底部，使云层底部带上负电荷。刚刚失去电子且不断上升的水蒸气带着正电荷到达云层顶部。除碰撞外，凝结同样扮演着重要角色。上升的水蒸气在云的上端遭遇低温空气而开始凝结时，凝结部分带负电荷，未凝结的水滴带正电荷。此时，上升气流能够移走冰层上带正电荷的水滴，并把它们带到云层顶部。其余的凝结部分则可能会下降至云层的底部，或者直接落到地面。在碰撞和凝结的共同作用下，我们应该能够理解暴风云如何获得发出闪电所需的强烈电荷分离。

如果云发生电荷分离，那么就会出现与分离关联的电场。和云层一样，电场的下部区域带有负电荷，上部区域带有正电荷。
电场的强度与云中积聚的电荷总量直接相关。由于碰撞和凝固持续发生，云层顶部和底部的电荷不断增加，电场也随之越来越强——实际上，这种电场的强度是如此之大，以至于地表电子在云层较低区域的强负电荷的作用下排斥到地表深处。这种电子排斥导致地表带上极强的正电荷。
此时唯一需要的就是供负极云底接触正极地表的导电通路。在一定程度上自己自足的强电场便能够创建这条通路。
以下描述也是操作范德格拉夫起电机（VDG）时发生的真实情况。如果您渴望了解闪电，VDG绝对是最安全的方法，可以为您带来数小时的快乐。
强电场导致云层周围的空气“崩解”，致使电流发生流动以中和电荷分离。简言之，空气崩解形成一个连接云层和地面的短路通路，就好像有一根超长的金属杆连接着云层和地面。以下是这种崩解的工作原理。
电场变强，接近于每厘米数万伏电压时，空气开始崩解的时机就已成熟。电场使周围的空气分为阳离子和电子，即空气发生离子化。请记住，离子化并不代表负电荷（电子）或正电荷（正原子核/阳离子）会比以前多。离子化只代表电子和阳离子的距离与两者在原来的分子或原子结构中相隔更远。基本上讲，电子已从非电离空气的分子结构中脱离出来。

这种分离/脱离过程的重要性在于，电子分离后可以更加轻易地自由移动。因此这种电离空气（亦称为等离子）的导电性能比先前的非电离空气强的多。恰好，电子自由移动的能力正是材料是否是电流良导体的原因。人们通常将金属看作由电子云包围的带正电的原子核，这使很多金属成为电流的良导体。
这些电子具有极强的移动性能，允许电流发生流动。空气或气体通过离子化可以形成的等离子具有类似金属的导电属性。等离子是大自然用于中和电场中的电荷分离的工具。熟悉火的化学反应的读者应该能够回忆起氧化所起的关键作用。氧化是指原子或分子与氧气结合时失去电子的过程。简言之，原子或分子从较低正电势转变为较高正电势。有趣的是，形成等离子的离子化过程，也是通过丧失电子而发生。通过这样的比较，我们可以将离子化过程看作是为闪电通过空气而“烧出的一条通路”，就像是在山脉中开凿一条隧道，以便火车通过一样。
离子化过程开始且形成等离子后，通道并非立即就会产生。事实上，通常云层会产生很多条单独的电离空气通路。这些通路通常称作“先导闪电”。

美国国家航空和航天局供图
先导闪电以阶梯形式向地面传播，因此不会形成通向地面的直线。空气在所有方向的电离程度并不相同。空气中的灰尘或杂质（任何物体）可能导致空气在某个方向更易崩解，因而更有机会使先导闪电在该方向更快到达地面。此外，电场的形状也会极大地影响电离通道，它的形状取决于带电粒子的位置。本例中，带电粒子位于云层底部和地表，如果云层与地表平行，且该区域足够小，可以忽略地球表面的弧度，则这两个带电位置会像两个平行荷电板。电荷分离产生的力（电通）的作用线与云层及地面垂直。
通量线在向目标（与电荷位置相反）移动前，通常会垂直于电荷面传播。了解这一点，我们就可以知道：如果云层的下表面并不笔直，那么产生的通量线也不会一致。尝试以下实验：在篮球的两端画两点。然后在篮球上画出一条连接这两点的线。这条线的弧度与非均强电场中的通量线类似，缺少均强力会使先导闪电沿非直线通路到达地面。
考虑到这些可能性，我们明显会发现，很多因素都会影响先导闪电的方向。我们都知道，两点之间直线距离最短，但在电场中，力线（通量线）可能并不遵从距离最短的直线，因为距离最短并非代表该通路的电阻最小。
因此可以说，带电云产生不断增长的先导闪电，并以阶梯形式伸向地面。这些先导发出微微的淡紫色闪光，并且在原始先导弯曲或转向的区域，可能会长出其他先导。先导开始后，无论是否是首先到达地面，它都会一直存在，直到电流开始流动。先导通常有两种发展可能：继续在等离子不断增加的阶段继续生长，或者以当前的等离子状态耐心等待，直到另一先导击中目标。
首先到达地面的先导获得的成果就是提供了一个连接云层和地面的导电通路。这条先导并不是真正的闪电，它只是绘制了闪电将要遵循的路线。闪电是从云层突然移动到地面的巨大电流。

在我们进一步了解之前，必须考虑一下，地面和地面上的物体发生了什么。当先导闪电靠近地面时，地面上的物体开始对这种强电场作出回应。物体向暴风云“伸出”正流光，这些流光也呈淡紫色，并且边缘锐利的物体上更为明显。人体在受到类似暴风云这样强的电场时，也的确会产生正流光。事实上，地面上的任何物体都可能发出流光。流光一旦形成，就不会继续伸向暴风云，连接两者之间的空缺就是先导闪电向下闪击的目的。流光在先导闪电靠近时，向上伸展，静静等待。
随后发生的实际就是先导闪电与流光的相遇。正如前文所述，先导闪电接触到的流光并不一定就是最靠暴风云的流光。即使附近有树、灯杆或其他高大物体，闪电也极有可能击中地面。原因就在于，先导闪电不会选择笔直的通路。
先导闪电和流光相遇后，电离空气（等离子）就完成了它的地面之旅，留下一条从云层到地面的导电通路。后者形成后，电流就会在地面和云层之间流动。电流放电是试图中和电荷分离的天然方式，我们这种电流放电时看到的闪光，并不是闪电，而是闪电的局部效应。
只要有电流，就还会有与电流相关的热。由于闪电闪击时会有大量电流，因此也就会有大量的热。事实上，一束闪电比太阳表面还热，这种热量就是我们所看到的耀眼的蓝白色闪光的真正起因。
当先导和流光相遇且电流流动时（即闪击时），闪电周围的空气变得极为炽热。热得实际上可以引起空气爆炸，因为热量导致空气迅速膨胀，紧随爆炸之后的就是我们熟知的雷声。
雷声是闪电通道辐射出的冲击波。空气受热时，会迅速膨胀，产生一种通过周围空气传播的压缩波。后者表现为声波的形式，这并不代表雷声是无害的。相反，如果您距离足够近，就能感觉到冲击波使周围事物不断震动。切记，核爆炸时，最严重的破坏通常是由快速移动的冲击波的能量引起。实际上，闪电中形成雷声的冲击波最有可能损害建筑和人。越靠近闪电，这种危险就越为显著，因为那里的冲击波更强，但会随着距离而逐渐减弱（减少）。物理学告诉我们，声音的传播速度比光慢很多，所以我们先看到闪光，后听到雷声。声音在空气中大约每4.5秒传播1.6公里，而光的传播速度则达到惊人的每秒299000公里。
电闪雷鸣时，您坐在车内看到闪电所发出的闪光。首先会注意到的是：主闪击的同时，还会有很多其他的分支在发出闪光。随后您会注意到主闪电又忽隐忽现了好几次，事实上，您看到的分支其实就是与击中目标的先导相连的先导闪电。

美国国家海洋和大气局图片库供图，国家海洋和大气局中心库；航空航天研究室/电子设备研究实验所/国家强风暴实验室（NSSL）
多次云地闪击和云间闪击
第一道闪电闪击时，电流开始流动，以试图中和电荷分离。这就要求与其他先导闪电中的能量关联的电流也流向地面。其他先导闪电中的电子，可自由移动后，从先导流向闪击通路。因此当闪电闪击时，其他先导闪电提供电流并释放与实际闪击通路相同的发热和发光特征。第一次闪击发生后，通常会紧接着发生一系列的二次闪击。这些闪击只会沿主闪击通路发生；其他先导闪电不参与这次放电。
实际上，我们看到的经常并非是真正发生的，二次闪击正是如此。主闪电很有可能会伴随30到40个二次闪电。根据闪击之间的延时，我们看到的仿佛是一次持续很长时间的闪击，或是一次主闪击以及随后主闪击通路上发出的闪光。如果我们意识到，二次闪击发生时可能主闪击的闪光还未消失，那么出现这些情况也就不难理解了。因为，很显然这会导致观察者认为主闪击的闪光时间比实际闪光时间长的多。基于同样的原因，二次闪击也可能在主闪电的闪光消失后发生，因而看起来就象主闪击忽隐忽现一样。
现在您了解闪电的原理了。令人惊讶的是整个过程，从开始离子化到闪电，连一秒钟都不到。用来拍摄闪电的高速摄像机实际只能用胶卷捕捉到正流光。如果您想在安全环境中观察这一现象，可以制作一个范德格拉夫起电机并在暗室中运行。当您靠近起电机时，手指就会发出像先导闪电或正流光一样的淡紫色闪光。
云对地闪击——前文已做论述

美国国家海洋和大气局图片库供图，国家海洋和大气局中心库；航空航天研究室/电子设备研究实验所/国家强风暴实验室 （NSSL）
云对地闪击
 
地对云闪击——与云对地闪击相同，只是通常由高大的地面物体向云层闪击

美国国家航空航天局供图
地对云闪击
 
云间闪击——其原理同样与云对地闪击相同，只是闪电从一个云层移动到另一云层

美国国家海洋和大气局图片库供图，国家海洋和大气局中心库；航空航天研究室/电子设备研究实验所/国家强风暴实验室（NSSL）
云间闪击
闪电类型
正常闪电——前文已做论述 片状闪电——反射在云层中的正常闪电 热闪电——地平线附近由高云反射的闪电 球状闪电——闪电形成一个缓慢移动的球，在爆炸或熄灭前会燃烧所经路线上的物体，这种自然现象称为球状闪电 红色精灵——据报导，这是一种发生在暴风云上面的红色爆炸，长度可达几公里（朝着平流层） 蓝色喷流——蓝色的圆锥形爆炸，发生在暴风云中心的上方，高速向上（朝着平流层）移动
避雷针最初由本杰明·富兰克林发明，其原理非常简单——它就是连接屋顶的尖头金属杆。杆的直径可以为2厘米左右，它与直径同样约为2厘米左右的铜线或铝线相连。线与埋在附近地下的导电网格相连。
避雷针的用途常遭人误解。许多人以为避雷针可以“吸引”闪电，更好的说法是，避雷针提供通向地面的低阻通路，可以在发生闪电时传导大量电流。如果闪电闪击，该装置会试图将有害电流从建筑上带走，安全地引向地面，这种装置能够处理闪电引起的巨大电流。如果闪电接触的材料不是良导体，这种材料就会受到巨大的热损伤。避雷针装置是一种性能卓越的导体，因此能让电流迅速流向地面，而不会引起任何热损伤。
闪电闪击时会“向四周跳跃”。这种“跳跃”与闪击目标相对于地面的电势有关。闪电可能在击中目标后，“寻找”一个电阻最小的通道，方法就是跳到附近能够提供通往地面的更好通道的物体。如果雷击发生在避雷针系统附近，后者就是一个低电阻通道，能够接收“跳跃”，在雷击产生任何破坏前，将电流导向地面。
如您所见，避雷针的用途不是吸引闪电——它只是为了给雷电提供一个安全的落脚点，这可能听起来有点自找麻烦，但假如您了解避雷针只在发生闪电时，或者发生闪电后的很短时间内才起作用，您就不会再有这种感觉。无论是否存在避雷针系统，闪电都会照旧发生。
如果您想保护的建筑位于平坦开阔的区域，通常需要制作一个采用高避雷针的闪电防护系统，这种避雷针应比该建筑物高。如果该区域正好处在强电场中，高避雷针会向上发出正流光，尝试驱散电场。尽管避雷针并不一定总是传导紧邻区域释放的闪电，但其几率与建筑物相比确实要高很多。同样，其目标仍是提供在有可能受到雷击的地区提供一条通往地面的低电阻通路，这种可能性源自于暴风云产生的电场的强度。
目前，美国每年有1000多人遭受雷击，其中超过100人因此死亡。闪电并非儿戏。
如果您身处户外，困在暴风雨中，一定要找到合适的避难所。切勿冒险——闪电很可能将您当作通往地面的通路。就像其他任何一种物体，建筑物或者汽车都是合适的避难所。如果没有去处，千万不要躲在树下，树会招来闪电。两脚尽可能并拢，抱头蹲下，越低越好，同时不要触摸地面。
切勿躺在地上。闪电击中地面后，电势会以接触点为中心向外逐渐扩散。如果您的身体恰好处在该区域，电流就会流过您的身体。您绝不会希望发生这样的事情，因为这会引起心搏停止，更不用说损伤和烧伤其他器官了。通过将身体尽可能靠近地面，缩小身体与地面的接触面积，您就可以降低闪电造成损伤的可能性。闪电击中您附近的区域时，如果您保持这种姿势，电流将更难流过您的身体。
如果您在室内，请远离电话。如果您必须给别人打电话，应使用无绳电话或手机。如果闪电击中电话线，则电流会传送到这条线连接的每部电话（如果您正拿着电话，很可能就会击中您）。
远离水管装置（浴盆、淋浴）。闪电可以击中房屋，或者击中房屋附近，从而将电荷传给水管系统的金属管道。现在这种危险没有以前那么大，因为如今室内水管系统通常都使用PVC（聚氯乙烯）材料。当然，如果您不确定家里的管道是用什么材料做的，那么就等到雷雨天结束再碰。
本杰明·富兰克林曾遭雷击。
绝不可能！与大部分教科书的内容相反，富兰克林先生居然很幸运地在实验中幸免于难。他看到的火花是风筝和电键系统在强电场中的产物。如果闪电真的击中了风筝和电键，富兰克林先生肯定会一命呜呼。如今我们都知道，他的实验极端危险，绝对不能重做。
 
橡胶轮胎能让您躲在汽车中较为安全是因为它们不导电。
答案并非如此。强电场中，橡胶轮胎实际上更能导电而不是绝缘。您在车中是安全的原因在于，闪电会沿汽车表面传播，然后通往地面。之所以会发生这种情况，是因为汽车就像法拉第笼。英国物理学迈克尔·法拉第发现金属笼可以在高电势放电击中笼子时，保护笼中的物体。金属作为良导体，会引导电流在物体周围传播，并安全将电荷释放到地面。如今这种保护方法广泛用于保护电气世界中对静电敏感的集成电路。
 
暴风雨发生时，最高的物体通常会遭到闪电的闪击。
越高的物体离云层越近，这没错，但正如前文讨论的，闪电可以击中距高物体很近的地面。较高的物体遭受闪击的可能性更大，但就闪电本身而言，闪击通道是无法预测的。
 
如果闪电袭击供电线，电涌保护器会保护您的电气设备（电视机、录象机、个人计算机）。
绝不可能！浪涌保护器为电力公司的供电线路只提供功率骤增保护，而不是闪电。若要真正防御闪电造成的损伤，就需要避雷器。避雷器使用气隙，在低电势，可以形成断路，但在高电势的情况下，它可以电离，从而传导电流。如果闪电击中您要保护的线路，气隙会将电流安全传导到地面。