地球磁場—人類賴以生存的必須環境—第三章，電閃雷鳴

第三章 電閃雷鳴

雷陣雨（Thundershowers）是一種天氣現象，表現為大規模的雲層運動，比陣雨要劇烈得多，還伴有放電現象，常見於夏季（亞熱帶）。 雷陣雨來到時，往往會出現狂風大作、雷雨交加的天氣現象。雷陣雨是人類經常看到的劇烈的自然現象。

雷陣雨雲中會發生猛烈的放電現象就是——閃電（lightning）。在放電的路徑上通過的電流約1萬安培，偶爾可達到10萬安培，使僅幾釐米通道上的空氣溫度猛增，最可高達上萬攝氏度，致使周圍空氣體積驟然膨脹，發生爆裂之聲就是——雷聲。由於光速比聲速快，故先見其閃電，然後聞雷聲。強烈的雷電有時會毀壞建築物和擊斃人畜。所以人們對電閃雷鳴成因極為關心，由於人類早期對其認識的不連續性，對雷電的敬畏還發生過許多的神話故事。

§1 早期認識的電閃雷鳴

　　雷電是伴有閃電和雷鳴的一種雄偉壯觀而又有點令人生畏的放電現象。雷電一般產生於對流發展強盛的積雨雲中，因此常伴有劇烈的陣風和暴雨，有時還伴有冰雹和龍捲風。一個中等強度雷暴的功率可達一萬千瓦，相當於一座核電站的輸出功率。放電過程中，由於閃電通道中溫度驟增，使空氣體積急劇膨脹，從而產生衝擊波，導致強烈的雷鳴。帶有電荷的雷雲與地面的突起物接近時，它們之間就會發生激烈的放電。在雷電放電地點會出現強烈的閃光和爆炸的轟鳴聲。這就是人們見到和聽到的閃電雷鳴。

氣流在雷雨雲中會因為水分子的摩擦和分解產生靜電。這些電分兩種，一種是帶有正電荷粒子的正電，一種是帶有負電荷粒子的負電。正負電荷會相互吸引，就像磁鐵一樣。正電荷在雲的上端，負電荷在雲的下端吸引地面上的正電荷。雲和地面之間的空氣都是絕緣體，會阻止兩極電荷的電流通過。當雷雨雲裡的電荷和地面上的電荷變得足夠強大時，兩部分的電荷會衝破空氣的阻礙，相接觸形成強大的電流。正電荷與負電荷就此相接觸，當這些異性電荷相遇時便會產生中和作用(放電)。激烈的電荷中和作用會放出大量的光和熱，這些放出的光就形成了閃電。不過這種想像的解釋，在實驗室中難以再現。

　　大多數的閃電都是兩次連接接觸的。第一次叫前導閃接，是一股看不見的空氣擊穿叫前導，一直下到接近地面的地方。這一股帶電的空氣就像一條電線，為第二次電流建立一條電導路。在前導接近地面時的一剎那，一道回接電流就沿著這條導路跳將上來，這次回接產生的閃光就是我們通常所能看到的閃電了。

　　現在我們知道電荷中和作用時會放出大量的光和熱，瞬間放出大量的熱會將周圍的空氣加熱到30,000℃的高溫。強烈的電流在空氣中通過時，造成沿途的空氣突然膨脹，同時推擠周圍的空氣。使空氣產生猛烈的震動，此時所產生的聲音就是——雷聲。

　　閃電若落在近處，我們聽到的就是震耳欲聾的轟隆聲。閃電若是落在較遠處，我們聽到的是隆隆不絕的雷鳴聲。這是因為聲波受到大氣折射和地面物體反射後所發出的各個方向的回聲。

還有人認為，暴風雲通常產生電荷，底層為陰電，頂層為陽電，而且還在地面產生陽電荷，如影隨形地跟著雲移動。正電荷和負電荷彼此相吸，但空氣卻不是良好的傳導體。正電荷奔向樹木、山丘、高大建築物的頂端甚至人體身上，企圖和帶有負電的雲層相遇；負電荷枝狀的觸角則向下伸展，越向下伸越接近地面。最後正負電荷終於克服空氣的阻障而連接上。巨大的電流沿著一條傳導通道從地面直向雲湧去，產生出一道明亮奪目的閃光。一道閃電的長度可能只有數百米(最短的約為100米)，但最長可達數千米。閃電的溫度，從攝氏17,000~28,000℃不等，也就是等於太陽表面溫度的3～5倍。閃電的極度高熱使沿途空氣劇烈膨脹。空氣移動迅速，因此形成波浪並發出沉悶的聲音。

§2 富蘭克林和風箏實驗

富蘭克林(Benjamin Franklin，1706～1790年)，美國科學家、發明家、政治家和社會活動家。他研究電現象後，首先將兩種電荷定名為正電荷和負電荷；並提出單流體說；還有電荷守恆原理；他做了著名的費城風箏實驗，統一了天電和地電；還發明了避雷針。

在富蘭克林之前，人們對天上的雷電有一種恐懼感和神秘感，甚至許多人認為雷電是上帝發怒時而發出的吼聲。富蘭克林在以萊頓瓶做實驗的過程中，面對著電火花的閃光和劈啪聲，總是禁不住與天空的電閃雷鳴聯繫起來。他比較了雷電和萊頓瓶的放電，發現它們有許多共同之處；它們都發出相同的光色，有鋸齒般的形狀，能被金屬、水或冰傳導，能點燃易燃物，殺死動物，熔化金屬，破壞磁性。有一次，他將幾個萊頓瓶連接起來，準備用強電擊殺一隻火雞，不料，實驗還未開始，他先碰到了萊頓瓶，結果當場被擊暈過去。等他醒來之後，不失詼諧地說了一句：「好傢夥，我本想電死一隻火雞，結果差一點電死一個傻瓜。」儘管電學實驗很危險，富蘭克林還是決定捕捉這在天之電。

怎樣捕捉天電呢？萊頓瓶是很合適的，因為它能儲存電。問題是怎樣能將天電引到萊頓瓶裡呢？用竹竿顯然接不到多高，即使架在建築物上，比起高高的天空還是顯得太低矮了。富蘭克林冥思苦想多日。突然，他的眼睛一亮，何不用風箏來引來天電呢！於是，他和兒子威廉一起用兩根很輕的杉木做成一個十字架，然後把一塊絲綢的四個角扎在十字架的末端，這樣就做成了一個大風箏。然後把一根很細的鐵絲固定在十字架的直木條的頂上，使鐵絲高出木架約20釐米，這樣可以更好地引下天空中的電。鐵絲末端與放風箏的絲線相連。

1752年7月的一天，美國費城的上空陰雲密布。富蘭克林知道，盼望多日的暴風雨就要來了。他喊上兒子威廉，拿起大風箏，包好萊頓瓶，跑到了離家不遠的田野上。強風託著風箏扶搖直上，轉眼就飛入雲霄。隨著一陣電閃雷鳴，大雨傾盆而下。不一會兒，富蘭克林父子倆的外衣便被淋溼後已經成為導線。為了防止將電引到自己身上，富蘭克林用一塊幹綢巾包住遷風箏線的手，並且在風箏在線掛上一把銅鑰匙準備引電用。

風箏穿進帶有雷電的雲層，閃電在風箏上閃爍，雷聲隆隆。這時，富蘭克林發現絲線的毛毛頭全都豎立了起來，他斷定整個風箏帶電了。當他感到扣風箏線的手有些麻木的感覺時，就把另一隻手的手指靠近銅鑰匙，頃刻之間，鑰匙上閃射出一串串火花。

「哎喲!」富蘭克林叫喊了一聲，趕緊將手指抽回，無限的歡樂也像電流一樣傳遍他的全身。他喊起來：「威廉，我受到電擊了!我們捕捉到了天電!」他顧不得危險，讓兒子拿出來萊頓瓶，將銅鑰匙移近萊頓瓶的金屬球，直接給萊頓瓶充了電。就這樣，過去神秘而可怕的天電被富蘭克林裝進了瓶子。

富蘭克林用收集起來的天電做了一系列實驗，結果證明它的性質與用起電機產生電的性質完全相同，天電只不過是劇烈的放電而已。

應該指出的是，富蘭克林的風箏實驗是很危險的，那次他沒有出現意外，完全是僥倖。在富蘭克林實驗後的第二年，一個叫李赫曼的俄國人也學著富蘭克林作這個實驗，結果當場被電死。

弄清了天電的性質，富蘭克林想起他平時用萊頓瓶做實驗時，發現尖端更易放電的現象。他馬上想到利用尖端放電原理將天空威力巨大的雷電引入地面，以避免建築物慘遭雷擊。

1760年，富蘭克林在費城一座大樓上樹起了一根避雷針，效果十分顯著。費城各地競相仿效，到1782年，全城已裝了400根避雷針。教會起先反對裝避雷針，說雷電是神表示的憤怒，不允許人們幹涉它們的破壞力。但教會的反對並起不了多大的作用，人們還是相信避雷針可以保護自己的建築物。

富蘭克林最主要的貢獻就是對說明各種電現象的理論（如電荷的產生、電荷的移轉、靜電感應等）作了比較系統的闡述。最初，他熱衷於發明設計小器件，這給他以後的電學實驗研究打下堅實的基礎。從1745年起他在不到10年的時間內，利用一些簡單的工具、器械進行了各種大膽的新的電學實驗。通過實驗，富蘭克林首先提出電學史上一項重要的假說：電的單流質理論。富蘭克林第一次用數學上的正負概念來表示兩種電荷的性質；同時還發現了尖端放電現象。更重要的是，富蘭克林提出了電的轉移理論。之後，這個理論發展為電荷守恆定律，這是自然界最基本的定律之一。1747年，富蘭克林對萊頓瓶進行了研究，闡明了電容器的原理。在1749～1751年間，富蘭克林仔細觀察和研究了雷、閃電和雲的形成，提出了雲中的閃電和富蘭克林的風箏實驗摩擦所產生電的性質是相同的推測。1750年提出了關於避雷針的建議。這一建議首先於1852年在法國馬利大學得到應用。1752年他在費城進行了震動世界的電風箏實驗，證明了他的「閃電和靜電的同一性」設想。富蘭克林還研究了帶電體之間的相互吸引和排斥；不規則帶電導體中的電荷分布；感應起電現象等。富蘭克林創造了許多電學方面的專門名詞。富蘭克林相當廣泛地研究和觀察其他自然現象。他還闡述了熱傳導理論；研究過利用蒸發取得低溫的方法；近代通風的方法等等。

§3 令人震撼的自然現象

雷電是一種地球上非常自然的現象，每年的雷電能量十分巨大，可惜的是，人們現在還不能夠利用它，而且還會因它造成不少損失。例如，它曾引起過無數次森林大火，每年所造成的財物損失高達許多億元；它也是電力中斷的主要原因之一，因為它那突如其來的強大電能力，會將變壓器燒毀；閃電的最大威脅乃是傷害人的生命，它比龍捲風、颶風或洪水更可怕，造成的人的死亡數目更高。

雷電是不可避免的自然災害。地球上任何時間都有雷電在活動。據統計，每秒鐘能造就1800陣雷雨，伴隨600次閃電，其中就有100個炸雷擊落地面，造成建築物、發電設備、通訊和影視設備的破壞，引起火災，斃傷人、畜、每年經濟損失達10億美元，死亡3000人以上。其中美國每年有將近400人被雷擊死，財產損失達2.6億美元。1996年7月20日，印度東北地區雷雨不斷，雷電擊中了比哈爾邦的一座校舍，造成15名小學生死亡，多人受傷。雷電還將樹下5個人全部燒死。將另外4名在田間勞作的農民擊死。

然而，它並不是百弊而無一利。據物理學家推測，閃電可能與地球上生命的進化發生過重要關係。實驗室裡所作的實驗證明，強力的電擊能將構成地球洪荒時代大氣的4 種氣體——甲烷、氨、氫和水蒸汽一一分解，而產生構成生命有機體元件的胺基酸。後來，雷電無疑是原始人的火的唯一來源。直到今天，大地的負電荷仍要靠大雷雨供應。而且雷電本身也協助其產生活性的原因。

閃電是雷雨雲體內各部分之間或者雲體與地面之間，因帶電性質不同形成很強的電場的放電現象。由於閃電通道狹窄而通過的電流太大，這就使閃電通道中的空氣柱被燒得白熾發光，並使周圍空氣受熱而突然膨脹，其中雲滴也會因高熱而突然汽化膨脹，從而發出巨大的聲響——雷鳴。

在雲體內部與雲體之間產生的雷為高空雷；在雲地閃電中產生的雷為「落地雷」。落地雷所形成的巨大電流、熾熱的高溫和電磁輻射以及伴隨的衝擊波等，都具有很強大的破壞力，足以使人傷亡，建築物被破壞。如在1986年4月25日7時20分，湖南省漵浦縣的觀音閣、雙井、低莊鄉等地，烏雲壓頂，風雨交加，電閃雷鳴……隨著一道強烈的閃光和一亂，雷聲、雨聲、風聲、哭聲、喊聲混雜在一起。據地、縣聯合調查組調查，當場雷擊死亡7人，傷10人，其中重傷3人，有一名死者的頭髮、衣物全被燒光，身軀也被燒焦形變，慘不忍睹。

雷電對人體的傷害，有電流的直接作用和超壓或動力作用，以及高溫作用。當人遭受雷電擊的一瞬間，電流迅速通過人體，重者可導致心跳、呼吸停止，腦組織缺氧而死亡。另外，雷擊時產生的是火花，也會造成不同程度的皮膚燒灼傷。雷電擊傷，亦可以使人體出現樹枝狀雷擊紋，表皮剝脫，皮內出血，也能造成耳鼓膜或內臟的破裂等。

人們研究得比較詳細的是線狀閃電，我們就以它為例來講述閃電的結構。閃電是大氣中脈衝式的放電現象。一次閃電由多次放電脈衝組成，這些脈衝之間的間歇時間都很短，只有百分之幾秒。脈衝一個接著一個，後面的脈衝就沿著第一個脈衝的通道行進。現在已經研究清楚，每一個放電脈衝都由一個「先導」和一個「回擊」構成。第一個放電脈衝在爆發之前，有一個準備階段—「階梯先導」放電過程：在強電場的推動下，雲中的自由電荷很快地向地面移動。在運動過程中，電子與空氣分子發生撞擊，致使空氣被輕度電離並發出微光。第一次放電脈衝的先導是逐級向下傳播的，像一條發光的舌頭。開頭，這光舌只有十幾米長，經過千分之幾秒甚至更短的時間，光舌便消失；然後就在這同一條通道上，又出現一條較長的光舌(約30米長)，轉瞬之間它又消失；接著再出現更長的光舌，採取「蠶食」方式步步逼向地面。經過多次放電——消失的過程之後，光舌終於到達地面。因為這第一個放電脈衝的先導是一個脈動接一個脈動地從雲中向地面傳播，所以叫做「階梯先導」。在光舌行進的通道上，空氣已被強烈地電離，它的導電能力大為增加。空氣連續電離的過程只發生在一條很狹窄的通道中，所以電流強度很大。

當第一個先導即階梯先導到達地面後，立即從地面經過已經高度電離了的空氣通道裡向雲層中流去大量的電荷。這股電流是如此之強大，以至空氣通道電離體被燒得白熾耀眼，出現一條彎彎曲曲的細長光柱。這個階段叫做「回擊」階段，也叫「主放電」階段。階梯先導加上第一次回擊，就構成了第一次脈衝放電的全過程，其持續時間只有百分之一秒左右。

第一個脈衝放電過程結束之後，只隔一段極其短暫的時間(百分之四秒)，又發生第二次脈衝放電過程。第二個脈衝也是從先導開始，到回擊結束。但由於經第一個脈衝放電後，「堅冰已經打破，航線已經開通」，所以第二個脈衝的先導就不再逐級向下，而是從雲中直接到達地面。這種先導叫做「直竄先導」。直竄先導到達地面後，約經過千分之幾秒的時間，就發生第二次回擊，而結束第二個脈衝放電過程。緊接著再發生第三個、第四個…．。直竄先導和回擊，完成多次脈衝放電過程。由於每一次脈衝放電都要大量地消耗雷雨雲中累積的電荷，因而以後的主放電過程就愈來愈弱，直到雷雨雲中的電荷儲備消耗殆盡，脈衝放電方能停止，從而結束一次閃電的全過程。

線狀閃電，猶如枝杈叢生的一根樹枝，蜿蜒曲折。帶狀閃電與線狀閃電相似，只是亮的通道比較寬，看上去好像一條較亮的亮帶。球狀閃電一般發生在線狀閃電之後，它是一個直徑為20釐米左右的火球，發出紅色或桔黃色的光，偶然發出美麗的綠色，一般維持幾秒鐘。火球在空中隨風飄移，喜歡沿物體邊緣滑行，還能穿過縫隙進入室內，當它行將消失時會發生震耳的爆破聲。

§4 閃電成因分析

產生雷電的條件是雷雨雲中有積累並形成能量電極性。我們以下開始對雷雨雲的帶電機制及電荷分布規律，進行討論，積累資料，並提出各種各樣的解釋，但是其中論點至今也許還在爭論不休。

一、閃電的類型

風雨雷電，是最為人們所熟知，最貼近人們的耳目感官，人人可得而觀之的自然現象。對閃電的初步分類大致如下。

（一）線狀閃電

線狀閃電與其它閃電不同的地方是它有特別大的電流強度，平均可以達到幾萬安培，在少數情況下可達20萬安培。這麼大的電流強度，可以毀壞和搖動大樹，有時還能傷人。當它接觸到建築物的時候，常常造成「雷擊」而引起火災。線狀閃電多數是雲對地的放電。

（二）片狀閃電

片狀閃電也是一種比較常見的閃電形狀。它看起來好像是在雲面上有一片閃光。這種閃電可能是雲後面看不見的火花放電的回光，或者是雲內閃電被雲滴遮擋而造成的漫射光，也可能是出現在雲上部的一種叢集的或閃爍狀的獨立放電現象。

（三）球狀閃電

球狀閃電雖說是一種十分罕見的閃電形狀，卻最引人注目。它像一團火球，有時還像一朵發光的盛開著的「繡球」菊花。它約有人頭那麼大，偶爾也有直徑幾米甚至幾十米的。球狀閃電有時候在空中慢慢地轉遊，有時候又完全不動地懸在空中。它有時候發出白光，有時候又發出像流星一樣的粉紅色光。球狀閃電「喜歡」鑽洞，有時候，它可以從煙囪、窗戶、門縫鑽進屋內，在房子裡轉一圈後又溜走。球狀閃電有時發出「噝噝」的聲音，然後一聲悶響而消失；有時又只發出微弱的噼啪聲而不知不覺地消失。球狀閃電消失以後，在空氣中可能留下一些有臭味的氣煙，有點像臭氧的味道。球狀閃電的生命史不長，大約為幾秒鐘到幾分鐘。

（四）帶狀閃電

帶狀閃電是由連續數次的放電組成，在各次閃電之間，閃電路徑因受風的影響而發生移動，使得各次單獨閃電互相靠近，形成一條帶狀。帶的寬度約為10米。這種閃電如果擊中房屋，可以立即引起大面積燃燒。

（五）聯珠狀閃電

聯珠狀閃電看起來好像一條在雲幕上滑行或者穿出雲層而投向地面的發光點的連線，也像閃光的珍珠項鍊。有人認為聯珠狀閃電似乎是從線狀閃電到球狀閃電的過渡形式。聯珠狀閃電往往緊跟在線狀閃電之後接踵而至，幾乎沒有時間間隔。

（六）火箭狀閃電

火箭狀閃電比其它各種閃電放電慢得多，它需要l～1.5秒鐘時間才能放電完畢。可以用肉眼很容易地跟蹤觀測它的活動。

（七）黑色閃電

一般閃電多為藍色、紅色或白色，但有時也有黑色閃電。由於大氣中陽光、雲的電場和某些理化因素的作用，天空中會產生一種化學性能十分活潑的微粒。在電磁場的作用下，這種微粒便聚集在一起，形成許多球狀物。這種球狀物不能發射能量，但可以長期存在，它沒有亮光，不透明，所以只有白天才能觀測到它。

（八）超級閃電

超級閃電指的是那些威力比普通閃電大100多倍以上的稀有閃電。普通閃電產生的電力約為10億瓦特，而超級閃電產生的電力則至少有1000億瓦特，甚至可能達到萬億至100000億瓦特。

紐芬蘭的鐘島在1978年顯然曾受到一次超級閃電的襲擊，連13千米以外的房屋也被震得格格響，整個鄉村的門窗都噴出藍色火焰。

在任何給定時刻，世界上都有1800場雷雨正在發生，每秒大約有100次雷擊。在美國，雷電每年會造成大約150人死亡和250人受傷。全世界每年有4000多人慘遭雷擊。在雷電發生頻率呈現平均水平的平坦地形上，每座300英尺高的建築物平均每年會被擊中一次。每座1200英尺的建築物，比如廣播或者電視塔，每年會被擊中20次，每次雷擊通常會產生6億伏的高電壓。

每個從雲層到地面的閃電實際上包含了在60毫秒間隔內發生的3到5次獨立的雷擊，第一次雷擊的峰值電流大約為2萬安培，後續雷擊的峰值電流減半。最後一次雷擊之後，可能會有大約150安培的連續電流，持續時間達100毫秒。

經測量，這些雷擊的上升時間大約為200納秒或者更快。通過2萬安培和200納秒，不難計算得到dI/dt的值是每秒1011安培！

二、雲的分類

為更好地理解雷電，我們再來討論雲的分類，雲是由大氣中水汽凝結凝華而形成的微小水滴、過冷水滴、冰晶、雪晶，由它們單一或混合組成，形狀各異飄浮在天空中可見的混合體。

雲的生成，宏觀特徵、量的多少，在天空中分布情況和演變，都能夠顯示出當時大氣運動、溫度狀態、穩定程度和水汽狀況，也是預示未來天氣演變的主要徵兆之一。

客觀地觀測分析雲的宏觀演變，描述天氣實況，是研討天氣變化規律的一項重要因素。雲的宏觀特徵千姿百態，形成的物理過程略有差異，但都有其共同的特點。

氣象學習慣地將常見雲層按高度分成為三大類，既高雲、中雲和低雲三族。

此外，世界氣象組織1956年公布的國際雲圖分類體系又將雲分為十個屬。其中低雲有積雲(Cu)、積雨雲(Cb)、層積雲(Sc)、層雲(St)和雨層雲(Ns)，中雲有高積雲(Ac) 和高層雲(As), 高雲則有捲雲(Ci)、卷層雲(Cs)、捲積雲(Cc)。

一般來說，高雲都在4500米以上，中云云底在2500～4500米， 低云云底為 100～2500米。需要指出的是，有些雲屬經常會伸展至其它雲層，如屬於中雲族的高層雲可能伸展至高雲族所在的層次，積雲和積雨雲能伸展至中雲族和高雲族所在的層次。

雲的生成和增長是十分複雜的物理過程，它是依據當時大氣中溫度、溼度、氣流、凝結核和冰核數量的多少等諸多因素的相互作用而形成了絢麗多彩的雲狀和具有瞬間多變的特點。

（一） 低雲

低雲分為積雲、積雨雲、層積雲、層雲、雨層雲五屬。

低雲多由微小水滴組成，厚的或垂直發展旺盛的低雲的下部由微小水滴組成而中、上部是由微小水滴、過冷水滴和冰晶混合組成。低雲的雲底距地面高度較低，一般低於2500米，它是隨季節、天氣條件和不同經緯度而有變化。

多數低雲都有可能產生降水，雨層雲多出現連續性降水，積雨雲多產生陣性降水，有時降水量很大。

1、積雲　Cu

輪廓分明，頂部凸起，雲底平坦，雲塊之間多不相連的直展雲；它是由低層空氣對流作用使水汽凝結或在冬季凝華而形成的雲。

淡積雲 Cu hum 積雲處在發展初期，雲體底部較平，北方淡積雲輪廓清晰，個體不大，頂部呈圓弧形凸起，雲體水平寬度大於垂直厚度，薄的雲塊呈白色，厚的雲塊中部有淡影。南方淡積雲由於水汽較多，輪廓不如北方淡積雲清晰。淡積雲單體分散或成群成群分布在空中，晴天多見。

淡積雲是由直徑5～30微米的小水滴組成，而北方和青藏高原地區冬季的淡積雲是由過冷水滴或冰晶組成，有時會降零星雨雪。

碎積雲 Fc 它是由1～15微米的小水滴組成。雲體很小，比較零散分布在天空，形狀多變，為白色碎塊，多為破碎了或初生的積雲。

濃積雲 Cu cong 濃積云云體高大，輪廓清晰，底部較平，比較陰暗，很像高塔，垂直發展旺盛，垂直厚度超過水平寬度、頂部呈圓弧形重疊，很像花椰菜。

濃積雲是由大小不同尺度的水滴組成，小水滴直徑出現在5～50微米之間；大水滴多出現在100～200微米之間。當雲發展旺盛時，雲中上升氣流可達10～20米/秒，當雲頂溫度在-10℃以下，會出現過冷水滴、凍滴、霰和冰晶。每當濃積雲發展非常旺盛時，雲的頂部會出現頭巾似的一條白雲，叫幞狀雲。

濃積雲是由淡積雲發展或合併發展而成，當它發展旺盛階段時，一般不會出現降水，但也有時降小陣雨。如果清晨有濃積雲發展，顯示出大氣層結不穩定，會出現雷陣雨天氣。

2、積雨雲　Cb

積雨雲是由濃積雲演變而成，雲體濃厚龐大垂直發展旺盛，很像聳立的高山，頂部已冰晶化，呈白色，毛絲般的纖維結構，雲頂隨雲的發展逐漸展平成砧狀。積雨雲的底部顯得十分陰暗，常有雨幡下垂或伴有碎雨雲。

積雨雲下部是由水滴、過冷水滴組成，中上部由過冷水滴、凍滴、冰晶和雪晶組成，當發展最旺盛階段還有不同尺度的霰粒和冰雹。積雨雲中有強烈上升、下沉氣流區，較大的上升氣流速度可達30～35米/秒，正常氣流度可達10米/秒。積雨雲底部經常出現起伏不平呈滾軸狀或懸球狀的雲底。

積雨雲是對流雲發展到極盛階段，常產生較強的陣性降水，並伴有大風、雷電等現象，有時還出現強的降雹（叫冰雹雲），有時有龍捲風產生。

禿積雨雲 Cb calv 禿積雨雲是濃積雲向鬃積雨雲發展過渡階段。雲的頂部已開始冰晶化，呈圓弧形重疊，輪廓模糊，已出現少量白色茸毛狀雲絲，但尚未擴展開來。

鬃積雨雲 Cb cap 它是積雨雲發展的成熟階段，雲頂有白色毛絲般的纖維結構，並已擴展成為馬鬃狀叫鬃積雨雲或成為鐵砧狀積雨雲，雲的底部陰暗而混亂。

3、層積雲　Sc

雲體的大小，厚薄不勻，形狀有較大差異，有條狀、片狀或團狀，呈灰白色和暗灰色，薄的層積雲可看到太陽所在的位置，厚的層積雲比較陰暗。層積雲在天空分布不同，有的成行或呈波狀排列，有的排列很不規則。

層積雲的厚度在100米到2000米之間，由直徑5～40微米水滴組成。在冬季和高原地區的層積雲由過冷水滴、冰晶和雪晶組成。

層積雲在一般天氣條件下，是由大氣中出現波狀運動和亂流混合作用使水汽凝結而形成的。有時是由局地輻射冷卻而形成。層積云云底較低，當雲層發展較厚時常出現短時降雨，冬季降雪。

透光層積雲 Se tra 雲體較薄，呈灰白色，排列比較整齊，透光層積雲邊緣比較明亮。雲體之間有明顯的縫隙，可分辨出日月位置，如果層積雲上邊還有雲層也能看到。

蔽光層積雲 Sc op 蔽光層積雲的雲塊或條狀比較密集，雲塊較厚，呈暗灰色，無縫隙，大部分雲體可以遮蔽日、月的層積雲，雲底有明顯波狀起伏，布滿天空，有時會產生降水。

積雲性層積雲 Sc cug 雲體是扁平的長條形，灰白色，暗灰色，頂部具有積雲特徵。它是由衰退的積雲或積雨雲擴展、平衍而形成的；有時是由傍晚地面散熱，空氣抬升直接影響而形成的。積雲性層積的出現，顯示出對流減弱趨向穩定，有時會降零星小雨。

堡狀層積雲 Sc cast 雲體呈細長條狀，底部較平，頂部凸起一個或幾個雲堡，但高度不同，有繼續發展的趨勢，雲體視角寬度大於5°。從遠處觀測好像城堡或長條形鋸齒。堡狀層積雲是局部地區有較強的上升氣流突破穩定氣層之後，又繼續發展而形成的。如果當地水汽條件較好，垂直氣流繼續增強，有利於積雨雲發展，預示著當地將有雷陣雨天氣。

莢狀層積雲 Se lent 雲體多為中間較厚、邊緣較薄，在地形影響氣流形成駐波的作用下而成豆莢、梭子形的雲狀、個體分明，分布在天空，雲體視角寬度為5°～30°。

4、層雲　St

雲層比較均勻呈幕狀，灰白色，好似濃霧，雲底較低，但不接地，經常籠罩山體和高層建築。

層雲是由直徑5～30微米的水滴或過冷水滴組成。層雲厚度一般在400～500米之間。

層雲是在大氣穩定的條件下，因夜間強輻射冷卻或亂流混合作用，水汽凝結或由霧抬升而成。層雲常在太陽升起之後氣溫逐漸升高，穩定層被破壞，層雲也逐漸消散。層雲也有時降毛毛雨，冬季降小雪。

碎層雲 Fs 它是層雲逐漸消散過程中的碎雲或輻射霧抬升而形成碎層雲，形狀多變，呈灰色或灰白色，當碎層雲出現時將是晴天。

5、雨層雲　Ns

雨層云云底很低，雲層很厚，一般厚度為4000～5000米，能遮蔽日、月，呈暗灰色，雲底經常出現碎雨雲。雨層雲覆蓋範圍很大，常布滿天空。

雲層的中下部由水滴和過冷水滴組成。北方和高原地區的雨層雲中部由過冷水滴、冰晶和雪晶組成。

雨層雲常出現在暖鋒雲系中，也有時出現在其它天氣系統中，它是由潮溼空氣系統滑升，絕熱冷卻而形成的。雨層雲常出現連續性降雨。北方冬季降雪，而高原地區夏季常出現降雪。農諺「天上灰布懸，雨絲定連綿」是指雨層雲降水。

碎雨雲 Fn 雲底很低，通常只有50～400米，雲體零散破碎，形狀多變，移動較快，呈灰色或暗灰色，經常出現在雨層雲，積雨雲或較厚的高層云云底下邊，它是由雨滴蒸發或雪晶升華，空氣中溼度增大，並在亂流作用下水汽凝結而形成的。

（二） 中雲

中云：高層雲、高積雲兩屬。

中雲是由微小水滴、過冷水滴或者冰晶、雪晶混合而組成。中雲的雲底高度一般在2500～5000米之間。高層雲在夏季多出現降雨，而在冬季多出現降雪。高積雲較薄時不會出現降水，但在高原地區的高積雲出現雨（雪、幡）。

1、高層雲 As

高層雲是灰色或灰白色的雲幕。雲層較厚多在1500～3500米之間，雲底部常出現條紋結構，一般高層雲可部分或全部布滿天空。

高層雲多由直徑5～20微米的水滴、過冷水滴和冰晶、雪晶（柱狀、六角形、片狀等）混合組成。

透光高層雲 As tra　雲層較薄，厚度均勻，但云層頂部起伏不平。雲層呈灰白色，透過雲層可觀測到比較模糊的日月輪廓，好似隔了一層毛玻璃。

蔽光高層雲 As op 雲層較厚，但比較均勻，頂部不平，雲底呈灰色或深灰色，底部可觀測到明暗相間的條紋結構，由於雲層很厚，在地面觀測不到太陽和月亮。

2、高積雲 Ac

高積雲體較小，個體分明，雲的厚薄、形狀不相同，薄的雲體呈白色，可觀測到日月輪廓，厚的雲體呈暗灰色，日月輪廓看不清楚。

高積雲的形狀多呈扁圓形，瓦塊狀，魚鱗片或波狀的密集雲條。在天空分布常密集成行或波狀排列，雲塊的視角寬度為1°～5°。

高積雲是由微小水滴或過冷水滴與冰晶混合組成。每當日、月透過薄的高積雲時、常常觀測到由於高積雲中的微小水滴或冰晶對光的衍射而形成內藍外紅的光環又稱為華。

高積雲是在高空逆溫層下面，冷空氣處於飽和條件下而形成的。雲體不厚，比較穩定，很少變化，預示晴天，農諺「瓦塊雲，曬煞人」，「天上鯉魚斑，曬穀不用翻」，即指這種高積雲出現後，將是晴天。如果高積雲的厚度繼續增厚，並逐漸融合成層，即將顯示天氣將有變化，甚至會出現降水。

透光高積雲 Ac tra　雲體較薄，呈白色，在天空中整齊地排列，雲體之間有縫隙，可見藍天，有時雲體之間如無縫隙，邊緣也比較明亮，透過雲體邊緣，可分辨出日、月位置。

蔽光高積雲 Ac op　雲體較厚，呈暗灰色，雲體已融合成層，日月部分不能辨認，有時會出現微量降水。

莢狀高積雲 Ac lent　雲體中間厚邊緣薄，雲體中間呈暗灰色，邊緣呈白色，輪廓分明，一般呈豆莢或橢圓形，孤立分散在天空。每當莢狀雲遮擋日月光線時，即出現美麗的虹彩。

莢狀高積雲是測站附近山地影響氣流形成的駐波作用下而生成，多出現在晴朗有風的天氣。

積雲性高積雲 Ac cug　雲塊有大有小，呈灰白色，中間稍厚，頂部略有拱起的特徵。它是由衰退的積雲或積雨雲擴展演變而生成的。這種雲的出現，預示著天氣逐漸趨於穩定。

絮狀高積雲 Ac flo 雲塊大小不一，帶有積狀雲外形的高積雲團，雲團下部比較破碎，很像破碎的棉絮團，分散在天空，高度也不相同呈灰白色或灰色，可出現雪幡。

絮狀高積雲是高空潮溼氣層很不穩定、有強亂流混合作用而形成的。有的地區出現這種雲，預示將有雷雨天氣。農諺「朝有破絮雲，午後雷雨屬臨」的說法。

堡狀高積雲 Ac cast 高積雲呈水平條狀分布在高空，頂部有多處向上凸起很像城堡，也有的像鋸齒的形狀。這種雲出現預示著將有不穩定的雷陣雨天氣，農諺「城堡雲淋死人」。

（三） 高雲

高云：捲雲、卷層雲、捲積雲三屬。

高雲是由微小的冰晶組成。雲底高度一般在5000米以上，而高原地區較低。高雲出現降水較少，冬季北方的卷層雲密捲雲有時也會降雪，偶爾也能觀測到雪幡。

此外，在雲物理學上還有其它分類方法，如根據云的微結構分類(水雲、冰雲和冰水混合雲)；根據云體溫度分類(暖雲和冷雲); 根據云的動力學特徵分類(層狀雲、對流雲和波狀雲)等。

對於和雷電有相關關係的雲，是以積雨云為主的。積雨雲（cumulonimbus，cb）屬於低雲族。當形成濃積雲之後，若空氣對流運動繼續增強，雲頂垂直向上發展更加旺盛，達到凍結高度以上，原來濃積雲的花椰菜狀的雲頂開始冰晶化，它的明顯而清晰的邊緣輪廓開始在某些地方變得模糊，此時就進入積雨雲階段。

積雨雲臃腫龐大，雲頂有絲縷狀冰晶結構，頂部常擴展成砧狀或馬鬃狀。雲底陰暗混亂，起伏明顯，有時有懸球狀結構，偶有龍捲產生。由水滴和冰晶構成，為混合雲。雲底高度一般約在400～l000米，在潮溼地區出現的高度通常比在乾燥地區低近一半；冬季寒冷地區約4500米，夏季溫暖地區約18,000米；積雨云云頂很高，可達對流層頂(距地面達8000～12000米)。

全球除了南北兩極以外的地區，均可產生積雨雲。大多在溫暖潮溼的地面上空、山區上空以及在熱帶海洋上空，都會形成積雨雲。

積雨雲幾乎都會形成降水，包括雷電、陣雨、陣性大風及冰雹等天氣現象，甚至會發生龍捲風，在特殊地區，還會產生強烈的外旋氣流——下擊暴流。這是一種可以使飛機遭遇墜毀災難性的氣流。

積雨雲分兩種：禿積雨雲和鬃積雨雲。

積雨雲是對流雲發展到極盛階段，常產生較強的陣性降水，並伴有大風、雷電等現象，有時還出現強的冰雹（此時叫冰雹雲）。

積雨雲不僅僅屬於低雲族，當它充分發展時它有幾千米的厚度。積雨雲的導電率在雲的各分類裡面是最好的。

三、介質擊穿

雲中積電，經介質的電移動，就產生雷電現象了。以下我們就討論雷電的電介質情況。

（一）電介質物理學

電介質的特徵是以正、負電荷重心不重合的電極化方式傳遞或記錄（存儲）電的作用和影響；在其中起主要作用的是束縛電荷。電介質物理主要是研究介質內部束縛電荷在電或和光的作用下的電極化過程，闡明其電極化規律與介質結構的關係，揭示介質宏觀介電性質的微觀機制，進而發展電介質的效用。電介質物理也研究電介質絕緣材料的電擊穿過程及其原理。

實際上金屬也具有介電性質；但金屬的介電性是來源於電子氣在運動過程中感生出虛空穴（正電荷）所引起的動態屏蔽效應。因其基本上不涉及束縛電荷，故不把金屬的介電性列入電介質物理研究的範疇。電介質有氣體的、液體的和固體的，分布極廣。

電極化過程的基本過程有三：①原子核外電子云的畸變極化；②分子中正、負離子的（相對）位移極化；③分子固有電矩的轉向極化。在外界電場作用下，介質的介電常數 ε是綜合地反映這三種微觀過程的宏觀物理量；它是頻率 ω的函數ε(ω)。只當頻率為零或頻率很低（例如1千赫）時,三種微觀過程都參與作用，這時的介電常數ε(0)對於一定的電介質而言是個常數，通稱為介電常數，這也就是靜電介電常數εs或低頻介電常數。隨著頻率的增加，分子固有電矩的轉向極化逐漸落後於外場的變化；它是由於電極化過程追隨不上外場的變化而引起的。實部隨著頻率的增加而顯著下降，虛部出現峰值。當頻率進入到紅外區，分子中正、負離子電矩的振動頻率與外場發生共振時；過此以後，正、負離子的位移極化亦不起作用了。在可見光區,只有電子云的畸變極化在起作用了，這是正常色散。

固態電介質分布很廣而因具有許多可供利用的性質如電致伸縮、壓電性、熱電性和鐵電性等，引起了廣泛的研究，但過去多限於討論它們的宏觀性質。當前固態電介質物理的研究重點，還在於研究無機電介質材料的機電、電光和鐵電等性質。

介電擊穿過程很複雜，除與物質本身性質有關外還與樣品厚度、電極形狀、環境溫度、溼度和氣壓、所加電場波形等有關。實驗數據很分散，各種理論模型只能分別在一定範圍內說明問題。有三種類型的介電擊穿。

①　熱擊穿 電極間介質在一定外加電壓作用下，其中不大的電導最初引起較小的電流。電流的焦耳熱使樣品溫度升高。但電介質的電導會隨溫度迅速變大而使電流及焦耳熱增加。若樣品及周圍環境的散熱條件不好，則上述過程循環往復，互相促進，最後使樣品內部的溫度不斷升高而引起損壞。在電介質的薄弱處熱擊穿產生線狀擊穿溝道。擊穿電壓與溫度有指數關係，與樣品厚度成正比；但對於薄的樣品，擊穿電壓正比於厚度的平方根。熱擊穿還與介質電導的非線性有關，當電場增加時電阻下降，熱擊穿一般出現於較高環境溫度。在低溫下出現的是另一種類型的電擊穿。

②　電擊穿 又稱本徵擊穿。電介質中存在的少量傳導電子在強外電場加速下得到能量。若電子與點陣碰撞損失的能量小於電子在電場加速過程中所增加的能量，則電子繼續被加速而積累起相當大的動能，足以在電介質內部產生碰撞電離，形成電子雪崩現象。結果電導急劇上升，最後導致擊穿。1935年，A.R.希佩爾最先提出電子碰撞電離概念。後來，H.弗羅利希等人曾對擊穿場強作過定量計算。開始擊穿時電子所須具有的能量稱為擊穿判據。

③　化學擊穿 電介質中強電場產生的電流在例如高溫等某些條件下可以引起電化學反應。例如離子導電的固體電介質中出現的電解、還原等。結果電介質結構發生了變化，或者是分離出來的物質在兩電極間構成導電的通路。或者是介質表面和內部的氣泡中放電形成有害物質如臭氧、一氧化碳等，使氣泡壁腐蝕造成局部電導增加而出現局部擊穿，並逐漸擴展成完全擊穿。溫度越高，電壓作用時間越長，化學形成的擊穿也越容易發生。

以上各種擊穿類型有時是某一種佔主要，有時是幾種原因的疊加。在擊穿過程中也可出現不同類型的變化。研究電介質擊穿有重要的科學意義和實用價值。它涉及材料的物質結構、雜質缺陷、能帶結構、強場下的載流子輸運過程、弛豫機制以及電子與聲子、電子與電子間的相互作用等。

（二）介質擊穿

加在電介質上的電場強度超過某一臨界值時，有電介質的絕緣性能完全喪失的現象。介質擊穿時，通過介質的電流集中於細小的通道流過。固體電介質擊穿時，擊穿通道的高密度電流常使材料發生不可逆的破壞。氣體電介質擊穿和液體電介質擊穿時，往往出現電火花，甚至電弧，但外電壓去除後，絕緣性仍可恢復。

擊穿是電介質的基本性能之一，標誌著它在電場作用下保持絕緣性能的極限能力，是決定電力設備、電子元器件最終使用壽命的重要因素。介質擊穿電壓的大小與材料的組成、厚度、環境條件及電極形狀、布置等有關。均勻電場下，單位厚度電介質的擊穿電壓(MV/m)稱為電介質擊穿場強，又稱介電強度。一些常用電介質在室溫下的介電強度如表所示。

電介質的擊穿電壓隨電極面積增大而降低的現象。在均勻或接近均勻的電場中，例如對薄層的固體或液體電介質，當電極面積增加時，電介質中出現缺陷、液體電介質中雜質形成小橋以及電極表面粗糙形成局部場強增強點的概率增大，因而擊穿電壓下降。在稍不均勻電場中，因放電由電崩階段轉入流注階段時電子崩的長度很小，因而它的擊穿也具有面積效應，即當電極面積增加時，因電極表面嚴重突出物和其他缺陷出現的概率也大，因而擊穿電壓下降。

（三）氣體介質擊穿

氣體介質在電場作用下發生碰撞電離而導致電極間貫穿性放電的現象。氣體介質擊穿與很多因素有關，其中主要的影響因素為作用電壓、電極形狀、氣體的性質及狀態等。氣體介質擊穿常見的有直流電壓擊穿、工頻電壓擊穿、衝擊電壓擊穿、高氣壓電擊穿、高真空電擊穿、負電性氣體擊穿。

直流電壓作用下的氣體介質擊穿。可分為以下兩種。

①在電極間電場是均勻的情況下，氣壓低於1大氣壓（約0.1兆帕）時,間隙擊穿電壓服從於帕邢定律。

②在極不均勻電場的情況下，如棒－板電極的間隙，擊穿場強大為降低，並且還會出現極性效應。引起極性效應的原因是由於正離子比電子運動慢很多，在間隙中形成正極性空間電荷，改變了電場分布而引起不同的放電發展過程。

工頻電壓擊穿 　工頻交流電壓作用下的氣體介質擊穿。在均勻電場的間隙中，工頻擊穿電壓和直流擊穿電壓相等。在極不均勻電場的間隙中（如棒－板間隙），擊穿總是發生在棒電極處於正極性的狀態，因而交流擊穿電壓幅值與正極性棒對負極性板間隙的直流擊穿電壓相近。

衝擊電壓擊穿 　衝擊電壓作用下的氣體介質擊穿現象。衝擊電壓可分兩類：一類是雷電衝擊電壓，其標準波形為1.2/50，是模擬雷閃放電時造成的雷電過電壓；一類是操作衝擊電壓，標準波形為250/2500或波前時間為2000～3000的衰減振蕩波，為模擬開關操作或系統故障時產生的操作過電壓。由於衝擊擊穿電壓有隨機分散性，一般取50％概率的數值。由於作用時間的影響，操作衝擊電壓下間隙擊穿電壓比雷電衝擊電壓下的低。而在一些高功率脈衝裝置產生的幾十納秒脈衝電壓下，間隙擊穿電壓則高得多。

高氣壓電擊穿 　由於氣體壓力與氣體密度成正比，因而氣壓將直接影響電子的自由程，從而影響電離和擊穿。帕邢定律表明,在相同的間隙距離下,提高氣體壓力可提高其擊穿電壓。然而高氣壓下氣體介質擊穿的機理與湯森理論有很大差異。高氣壓電擊穿有以下特點：①超過一定氣壓Pc之後（各種氣體的Pc值不同，例如SF6的Pc約在6kg/cm2 以上），擊穿電壓有較大的分散性。經過多次放電之後(一般稱「鍛鍊」)，擊穿電壓值漸趨穩定。但即使在鍛鍊之後，偶爾也會出現很低的擊穿電壓。②陰極材料對擊穿電壓有影響。陰極材料的結構，例如有無雜質，單晶或多晶，是否有位錯等，也會影響擊穿電壓的大小。③電極表面狀態的影響。電極表面加工及清潔程度對擊穿電壓有作用。如電極經拋光、除油等處理後，擊穿電壓比處理前高。④電極面積增大，擊穿電壓將有所降低。⑤氣體中若含有水氣及懸浮尖埃等雜質，則會降低擊穿電壓。因此所充氣體應經過淨化處理。

高真空電擊穿 　由於高真空狀態下氣體密度減少到很小的程度,電子或離子的自由程將很長，以致在間隙中不易發生碰撞電離，因此間隙的擊穿電壓將會很高（帕邢定律的左半支曲線）。某些設備高真空間隙的擊穿場強可高達1.3MV/cm。影響真空間隙擊穿過程有許多因素，如真空度、間隙距離、電極材料、電極狀態、電壓作用時間等。

負電性氣體擊穿 　六氟化硫、氟利昂、四氯化碳等許多種滷化物氣體的擊穿現象。這些氣體的擊穿場強比空氣的高。其主要原因是滷族元素具有很強的負電性,易於吸附電子形成負離子，而負離子的運動速度遠小於電子，很容易和正離子發生複合，使氣體中帶電質點減少，因而放電的形成和發展比較困難。

（四）氣體放電

乾燥氣體通常是良好的絕緣體，但當氣體中存在自由帶電粒子時，它就變為電的導體。這時如在氣體中安置兩個電極並加上電壓，就有電流通過氣體，這個現象稱為氣體放電。依氣體壓力、施加電壓、電極形狀、電源頻率的不同，氣體放電有多種多樣的形式。主要的形式有暗放電、輝光放電、電弧放電、電暈放電、火花放電、高頻放電等。20世紀70年代以來雷射導引放電、電子束維持放電等新的放電形式，也日益受到人們的重視。

氣體放電的基本物理過程是由一些基本過程構成，這些基本過程是：激發、電離、消電離、遷移、擴散等。基本過程的相互制約決定放電的具體形式和性狀。

荷能電子碰撞氣體分子時，有時能導致原子外殼層電子由原來能級躍遷到較高能級。這個現象，稱為激發；被激發的原子，稱為受激原子。要激發一個原子，使其從能級為E1的狀態躍遷到能級為Em的狀態,就必須給予(Em-E1)的能量；實際上，即使電子能量等於或高於激發能量，碰撞未必都能引起激發，而是僅有一部分能引起激發。引起激發的碰撞數與碰撞總數之比，稱為碰撞機率。

受激發後的原子停留在激發狀態的時間很短暫（約為10-6秒），便從能量為Em的狀態回復到能量為E1的正常狀態,並輻射出能量的光量子。氣體放電時伴隨有發光現象，主要就是由於這個原因。

當受激原子尚未回到基態時，如受到電子的再次碰撞就可能轉入更高的激發態。這種由多次碰撞往高能級激發的現象稱為累積（逐次）激發。

電子與原子碰撞時，若電子能量足夠高，還會導致原子外殼層電子的脫落，使原子成為帶正電荷的離子。與激發的情況類似，電子的動能必須達到或大於某一數值eVi，碰撞才能導致電離。Vi稱為電離電位，其大小視氣體種類而定。同樣，即使能量高於電離能，碰撞也僅有一部分能引起電離。引起電離的碰撞次數與總碰撞次數之比，稱為電離機率。如果受激原子由於電子再次碰撞而電離、則稱為累積（逐次）電離。

在氣體放電中還有一類重要的電離過程，即亞穩原子碰撞中性分子使後者電離的過程。這種過程只有在亞穩原子的亞穩電位高於中性分子的電離電位（如氖的亞穩原子碰撞氬原子）時才可能出現。這個過程稱為潘寧效應。

在電場作用下,帶電粒子在氣體中運動時，一方面沿電力線方向運動，不斷獲得能量；一方面與氣體分子碰撞，作無規則的熱運動，不斷損失能量。經若干次加速碰撞後，它們便達到等速運動狀態。係數K稱為電子（離子）遷移率。對於離子，K是一個常數；對於電子，它並不是一個常數,而與電場強度E有關。

多種帶電粒子同時存在於氣體時，擴散現象變得複雜。其中特別重要的一種情況是電子、正離子濃度相等（即等離子體）的情況，這時出現所謂雙極性擴散。這是兩種異號帶電粒子相互牽制的擴散，其基本特徵是：電子由於質量小、擴散得較快；離子由於質量大，擴散得較慢。結果電子走在前方，於是兩種電荷間出現一個電場（約束電場），這電場牽引正離子使它跟上去。兩種帶電粒子的擴散速率始終一致，但電子總是在前方，離子則在其後。

最早研究的氣體放電形式是低氣壓（1～100帕）直流放電，即在氣體中置入兩個電極，通以直流電壓而得到的放電。為使電流不致過大，迴路中串聯一個電阻（即限流電阻）。若將電源電壓逐漸提高，通過氣體的電流就隨之增大。當極間電壓提高到us時，電流突然急劇增加，放電變為明亮的形式，這稱為著火，也稱為擊穿。著火之後，放電轉入自持放電，在開始一段（SB段）為正常輝光放電，極間電壓比著火前為低，且其數值不隨電流增大而變化，呈現恆定電壓特性。當電流增大到某一數值（B點）時，極間電壓又隨電流而增大，這一段（BE段）屬異常輝光放電。電流增大到E點時就轉入電弧放電，此時極間電壓將隨電流增大而下降，呈現出負阻特性（ECDF段）。

湯生理論的物理描述是：設外界催離素在陰極表面輻照出一個電子，這個電子向陽極方向飛行，並與分子頻繁碰撞，其中一些碰撞可能導致分子的電離，得到一個正離子和一個電子。新電子和原有電子一起，在電場加速下繼續前進,又能引起分子的電離，電子數目便雪崩式地增長。

放電中產生的正離子最後都抵達陰極。正離子轟擊陰極表面時，使陰極產生電子發射；這種離子轟擊產生的次級電子發射，稱為r過程。r過程使放電出現新的特點，這就是：r過程產生的次級電子也能參加繁流。如果同一時間內，由於r過程產生的電子數，恰好等於飛抵陽極的電子數，放電就能自行維持而不依賴於外界電離源，這時就轉化為自持放電。

氣體的著火電壓取決於一系列因素。1889年，L.C.帕邢發現，對於平行平板電極系統，在其他條件相同時，著火電壓是氣體壓力p與電極距離d乘積的函數，通稱為巴邢定律。

輝光放電各區域中最早被利用的是正柱區。正柱區的發光和長度可無限延伸的性質被利用於製作霓虹燈。作為指示用的氖管、數字顯示管，以及一些保護用的放電管，也是利用輝光放電。在氣體雷射器中，毛細管放電的正柱區是獲得雷射的基本條件。近代微電子技術中的等離子體塗覆、等離子體刻蝕，也是利用輝光放電過程。從正柱區的研究發展起來的等離子體物理，對核聚變、等離子體推進、電磁流體發電等尖端科學技術有重要意義。輝光放電中的負輝區，由於電子能量分布比正柱區的為寬，近年來被成功地用於製作白光雷射器。

如將輝光放電的限流電阻減小，則放電電流增大，並轉入電弧放電。電弧放電的特點是電流密度大而極間電壓低，其自持依賴於新的電子發射機制，即熱發射和冷發射。熱發射是因正離子轟擊陰極出現局部高溫而產生的；冷發射則是因陰極表面存在局部強電場而引起的。前者稱為熱電子電弧，後者稱為冷陰極電弧。作為強光源的碳極電弧就是熱電子電弧；電力工業用的汞弧整流管則利用冷陰極電弧。

火花放電是在電源電壓較高，足以擊穿氣體，但電源功率不夠大，不能維持持續放電時產生的一种放電。它仍然是一種自持放電，但瞬即熄滅，待電源電壓恢復後，又重新放電。放電時電極間有絲狀火花跳過電極空間，其路程則是隨機的。自然界中的雷電，是一種大範圍的火花放電，但在火花放電之前大多先出現電暈放電。

火花放電的過程比湯生放電還要迅速。關於這种放電的理論，較為成功的是條帶理論。這種理論認為：在強電場作用下，由外界催離素所產生的某一個電子，向陽極運動時將引起強烈的電離及激發，並形成電子繁流。這種單個電子形成的繁流稱為負條帶。形成負條帶的同時，出現強烈的短波輻射，在空間引起光電離；光電離產生的光電子，又能發展成一些較小的負條帶。當條帶較多時，便匯成一個強大的負條帶，迅速向陽極飛去。詳細的分析表明，還存在從陽極飛往陰極的條帶，即正條帶。正負條帶造成兩電極間的導電通路，使強大的電流脈衝得以通過氣體，這就是火花放電的著火。

最簡單的脈衝放電是由一電容儲能電路擊穿一個火花隙而得到的；放電裝置則串接在火花隙中，火花隙擊穿時裝置中亦就得到了脈衝放電。

脈衝放電的過程，可以分成三個階段：①脈衝形成階段，即火花隙間加上電壓，氣體電離及擊穿並使放電充滿整個裝置；②維持階段，此時電容器中的能量繼續通過放電通道，放電空間出現強烈的電離和激發；③放電熄滅階段，即隨著電容器上電壓的降低，放電逐漸衰弱，最後不能自持時，放電就自行熄滅。

四、閃電的成因

雷暴時的大氣電場與晴天時有明顯的差異，產生這種差異的原因，是雷雨雲中有大量電荷的累積並形成雷雨雲對大地的電極性，由此產生閃電而造成大氣電場的巨大變化。但是雷雨雲對大地的電是怎麼來的呢? 也就是說，雷雨雲中有哪些物理過程導致了它的起電?為什麼雷雨雲中能夠累積那麼多的電荷並形成有規律的分布?

前面我們已經講過，雷雨雲形成的宏觀過程以及雷雨雲中發生的微物理過程，與雲的對地電壓有密切的聯繫。科學家們對雷雨雲的起電機制及電荷有規律的分布，進行了大量的觀測和實驗，積累了許多資料並提出了各種各樣的解釋，有些論點至今也還在爭論。歸納起來，雲的起電機制主要有如下可能：

（一）對流雲初始階段的「離子流」假說

大氣中總是存在著大量的正離子和負離子，在雲中的水滴上，電荷分布是不均勻的：最外邊的分子帶負電，裡面雲層帶正電，內層與外層的電位差約高0.25伏特。為了平衡這個電位差，水滴必須「優先』吸收大氣中的負離子，這樣就使水滴逐漸帶上了負電荷。當對流發展開始時，較輕的正離子逐漸被上升氣流帶到雲的上部；而帶負電的雲滴因為比較重，就留在下部，造成了正負電荷的分離。

（二）冷雲的電荷積累

當對流發展到一定階段，雲體上升到0℃層以上的高度後，雲中就有了過冷水滴、霰顆粒和冰晶等物體。這種由不同相態的水汽凝結物組成且溫度低於0℃的雲，叫冷雲。冷雲的電荷形成和積累過程有如下幾種：

1、冰晶與霰粒的摩擦碰撞起電

霰粒是由凍結水滴組成的，呈白色或乳白色，結構比較鬆脆。由於經常有過冷水滴與它碰撞，並釋放出潛熱，故它的溫度一般要比冰晶來得高點。在冰晶中含有一定量的自由離子(OH-或H+)，離子數隨溫度升高而增多。由於霰粒與冰晶接觸部分存在著溫差，故高溫端的自由離子必然要多於低溫端，因而離子必然從高溫端向低溫端遷移。離子遷移時，較輕的帶正電的氫離子速度較快，而帶負電的較重的氫氧離子(OH-)則較慢。因此，在一定時間內就出現了冷端H+離子過剩的現象，這就造成了高溫端為負，低溫端為正的電極化。當冰晶與霰顆粒接觸後又分離時，溫度較高的霰粒就帶上了負電，而溫度較低的冰晶則帶正電。在重力和上升氣流的作用下，較輕的帶正電的冰晶集中到雲的上部，較重的帶負電的霰顆粒則停留在雲的下部，因而造成了冷雲的上部帶正電而下部帶有負電的現象。

2、過冷水滴在霰粒上碰撞凍起電

在雲層中有許多水滴在溫度低於0℃時仍不凍結，這種水滴叫過冷水滴。過冷水滴是不穩定的，只要它們被輕輕地震動一下，馬上就會凍結成冰粒。當過冷水滴與霰粒碰撞時，會立即凍結，這叫撞凍。當發生撞凍時，過冷水滴的外部立即凍成冰殼，但它內部仍暫時保持著液態，並且由於外部凍結釋放的潛熱能傳到內部，其內部液態過冷水的溫度比外面的冰殼來得高。溫度的差異使得凍結的過冷水滴外部帶正電，內部帶負電。當內部也發生凍結時，雲滴就膨脹分裂，外表皮破裂成許多帶正電的小冰屑，隨氣流飛到雲的上部，帶負電的凍滴核心部分則附在較重的霰粒上，使霰粒帶負電並停留在雲的中、下部。

3、水滴因含有微量的鹽分而起電

除了上述冷雲的兩種起電機制外，還有人提出了由於大氣中的水滴含有微量的鹽分而產生的起電機制。當雲滴凍結時，冰的晶格中可以容納負的氯離子(Cl-)，卻排斥正的鈉離子(Na+)。因此，水滴已凍結的部分就帶負電，而未凍結的外表面則帶正電(水滴凍結時，是從裡向外進行的)。由水滴凍結而成的霰粒在下落過程中，摔掉表面還來不及凍結的水分，形成許多帶正電的小雲滴，而已凍結的核心部分則帶負電。由於重力和氣流的分選作用，帶正電的小滴被帶到雲的上部，而帶負電的霰顆粒則停留在雲的中、下部。

（三）暖雲的電荷積累

上面講了一些冷雲起電的主要機制。在熱帶地區，有一些雲層整個雲體都位於0℃以上區域，因而只含有水滴而沒有固態水粒子。這種雲叫做暖雲或「水雲」。暖雲也會出現雷電現象。在中緯度地區的雷暴雲，雲體位於0℃等溫線以下的部分，就是雲的暖區。在雲的暖區裡也有起電過程發生。

在雷雨雲的發展過程中，上述各種機制在不同發展階段可能分別起作用。但是，最主要的起電機制還是由於水滴凍結造成的。大量觀測事實表明，只有當雲頂呈現纖維狀、絲縷狀結構時，雲才發展成雷雨雲。飛機觀測也發現，雷雨雲中存在以冰、雪晶和霰顆粒為主的大量雲粒子，而且大量電荷的累積即雷雨雲迅猛的起電機制產生效果，必須依靠霰粒生長過程中的碰撞、撞凍和摩擦等過程才能發生。

總之，以上各種閃電積電成因，都存在著實驗室再現困難。

五、雷電的放電形式

雷電的放電形式對我們理解雷電的成因也許很重要，我們把它們列舉描述如下。

（一）雲中放電(in-cloud lightning)

在0℃層以上，即空氣溫度下降到冰點的高度以上，雲內的液態水變成冰晶和過冷卻水滴(達0℃卻來不及凝結就落下的水滴)。由於空氣的密度不同，造成了空氣對流，在這些水滴或冰晶摩擦碰撞的過程中產生電荷。如雲內出現兩個足夠強的相反電位，帶正電的區域就會向帶負電的區域放電，結果就產生了雲內閃電(in-cloud lightning)或雲間閃電(cloud-to-cloud lightning)。風暴細胞內八成的放電過程屬於這種類型。

（二）雷雲地之間放電（cloud-to-ground lightning）

這是最廣為研究的類型，主要是因為它們對人們的生命財產有極大的威脅性。

在一次正常的閃電前，雲裡的電荷分布是這樣的：在底部是較少的正電荷，在中下是較多的負電荷，在上部是較多的正電荷。閃電由底部和中下部的放電開始。電子從上往下移動，這一放電由上向下呈階梯狀進行，每級階梯的長度約為50米。兩級階梯間約有50微秒的時間間隔。每下一級，就把雲裡的負電荷往下移動一級，這稱為階梯先導(stepped leader)，平均速率為1.5×105米/秒，約為光速的兩千分之一，半徑約在1到10米，能傳遞大約五庫侖的電量至地面。當階梯先導很接近地面時，就像接通了一根導線，強大的電流以極快的速度由地面沿著階梯先導流至雲層，這一個過程稱為回擊，約需70微秒的時間，約為光速的三分之一至十分之一。典型的回擊電流強度約為一至兩萬安培。如果雲層帶有足夠的電量，又會開始第二次的階梯先導。

電雷擊又分為負電雷擊（negative stroke）及正電雷擊（positive stroke），也就是由雲層往地面傳下來的是正電荷。正雷電擊的發生概率比負電雷擊小，但攜帶的電量會比負電雷擊大，曾測量到的最大值為300庫侖。正電雷擊通常只有一擊，有第二擊的正電雷擊相當少見（因為雲層內靠近地面的正電荷較少）。

和閃電相關的還有藍色噴流(BLUE JET)、紅色精靈(red sprit)和極低頻的電波，而藍色噴流是雲頂與電離層之間的放電現象之一，被視為是雲對地面閃電同等地位的反向高空閃電，它和另一種高空放電現象「紅色精靈」有非常大的差別，藍色噴流持續發光平均時間約零點三秒，比紅色精靈要長約二十倍，另外藍色噴流可以很明顯看出發光的噴流從雲層中向高空噴出，與紅色精靈是在高空發光，沒有噴射現象完全不同。此外閃電會把範艾倫輻射帶(Van Allen radiation belt)清出安全狹槽，所以一般衛星都最好飛行在此區域，比較不易遭受放射線的破壞。而有科學家們認為，閃電一般只有百萬伏特，是不能穿過大氣（絕緣體），但發現宇宙射線會破壞大氣分子產生X射線外，還會讓大氣變得較易導電，所以閃電發生和宇宙射線也有關。

§5 水氣摩擦產生閃電困難

閃電主要是雲團中和對地面的放電現象，但是帶電雲團中的電是怎麼產生的？這在很大程度上許多人認為還是一個迷，一些關於雲團生電的說法並不能令人信服，其中有幾種以訛傳訛的說法，什麼摩擦生電、溫差生電、離子流生電、宇宙射線生電、冰凍生電等等，都沒有什麼有力的實驗證據，也沒有多少說服力。以人們現有的理論知識的不可理解，最重要的還是沒有相對應的實驗驗證來對待這些說法。

雲層中有電位差的存在，這是一個不爭事實，人類最早對電的認識來源於摩擦生電。大概富蘭克林當年也是這樣認為的，雲裡的電是摩擦產生的。但是在科學進步的今天，我們天天在和電打交道，我們接觸的巨大電力又有多少是摩擦產生出來的電呢？

現在我們許多的教科書，都還是這樣去闡述，雲層中的電是摩擦產生的。因為我們沒有新的理論去替代它，儘管我們在實驗室裡得不到這樣的結果。那些所謂的科普作家們和一些小學的老師們，既然這些說法沒有詳實的證據，沒有實驗驗證，沒有理論能進行嚴謹的推敲，為什麼還要告訴學生這些不可信的虛假說法？只是因為他們無法給出另外的說法來代替現存的說法。

關於閃電的形成，科普讀物和教科書裡的常規解釋是：閃電是被禁閉在一個導電區域內的電荷的釋放。積雨雲中的冰晶顆粒相互碰撞，產生了電場。積雨云云底通常攜帶負電荷，這些負電荷的積聚，使地面感應出相應的正電荷。當雲體與雲體間、雲體內部、雲體與地面或者雲體與空氣間的電勢能差達到一定程度時，兩者之間的空氣被電離，成為可導電的區域。電能就在雲層和地面之間，或者在帶有相反電荷的雲層之間釋放，形成閃電。

但是，這種解釋不大能夠成立：空氣只有在電場強度達到約2500千伏/米時，才會出現自發電離現象。幾個世紀以來，人們用了一些十分危險的方法，諸如利用風箏、氣球和飛機等，來測量積雨雲層中的電場強度。但是，人們一直沒有探測到積雨雲中的電場強度能夠達到使空氣分子電離的程度，所測量到的典型的電場強度不過是100～400千伏/米，也只有所需電場強度的十分之一而已。

人們對此解釋說，研究人員只是沒有測到電場強度最高的小塊區域。比如，在北美中部廣闊的大平原上空，積雨雲可達到10千米厚，面積可達10萬平方千米。即使相對較小的積雨雲，其面積也有2500平方千米。所以，強電場區域有可能存在於檢測設備遠遠達不到的地方。不過，現在越來越多的人認為，之所以沒有觀測到強電場區域，是因為這種區域根本不可能存在。

據有關記載，雷電電流的平均強度大約是20000安培，雷電電壓大約是10萬 億伏，每一次雷電時間大約是0.0001 秒。根據公式P=IU，可以算出雷電的功率為：

P=20000 安×109伏=2×1013伏·安=2×1010千瓦=200億千瓦

它比目前世界上最大的水電站的功率還要大2000 多倍。

世界上平均每秒大約發生至少100 次以上的雷電現象。因此，每年雷電產生的總電能大約是：

2×1010千瓦×10-3×3600×365×100/3600=1.75×1013 度

假如每度電以0.2 元計算，那麼全世界一年中雷電的價值是：

1.75×1013×0.2=3.5×1012 元=3.5 萬億元

多麼巨大的能量呀！靠雲層中水汽的相互運動，就能產生這樣大的能量，這些都是令人不可思議的事情。

§6 為什麼冬天沒有雷和閃電？

冬季也有降水，可是發生閃和雷的概率卻很小。為什麼亞熱帶地區的冬季很少有雷電現象發生呢？有人根據現有的知識給出了解釋。

空氣極不穩定的時候，容易發生強烈的向上對流運動，而形成高聳的積雨雲，雲中充滿上上下下奔竄的水汽，就會產生靜電，雲的上端會產生正電荷，雲的下端會產生負電荷，地面又是正電荷，那麼，正、負電荷之間有空氣作為絕緣體，若正、負電荷間的電壓差，達到可以衝破絕緣體的空氣，使空氣在瞬間膨脹爆炸、發熱發光，發光就是閃電，膨脹的空氣發出巨大聲響就是打雷。

雷電是暖溼空氣上升、空氣上下劇烈對流的結果。春季、夏季因為暖溼氣流活躍，空氣潮溼，同時太陽輻射強烈，近地面空氣不斷受熱而上升，形成強烈的上下對流，易出現雷電現象。而在冬季，受大陸冷氣團控制，空氣寒冷而乾燥，加之太陽輻射弱，空氣不易形成劇烈對流，很少出現雷電現象。

雷暴的產生不是取決於溫度本身，而是取決於溫度的上下分布。夏天地面溫度高，對流比較強烈，容易產生雷暴；冬天的降水，不是強烈的對流降水，比較穩定，但如果上面的溫度和下面的溫度差，達到一定值時，也能形成水氣的強對流，產生雷暴。因為下層空氣相對暖和溼，就會產生浮力，破壞大氣的穩定性。但是，當出現強烈的暖溼空氣北上，遇上冷空氣被迫抬升後，也會產生強烈對流，到一定強度就會出現雷電現象，在暖溼氣流特別強、對流特別旺盛的情況下，還可以劇降冰雹。

現有理論「積雨雲的不同部位聚集著兩種電荷碰撞發生打雷現象的認識不夠完善」，因為積雨雲不是絕緣體，就每一朵積雨雲而言其具導電性，不應當出現在積雨雲的不同部位聚集成正負兩種電荷現象，只要積雨雲導電性的存在，正負兩種電荷早就中和了。也就談不上每一朵積雨雲帶有不同電荷的現象，恰恰相反導電性不好的非積雨的淡雲，容易用聚集正負兩種電荷理論推理的雲，卻不發生雷電現象。這樣事實和理論就是相矛盾的了。

夏季常見的積雨雲，下部溫度高，中上部溫度低，雲中具有強大的上升和下沉氣流。雲內大量的冰晶、大小水滴、過冷水滴、霰粒(不透明的雪珠)和冰雹等水汽凝成物，通過碰凍、碰撞、破碎和融化等許多複雜的過程，使雲中起電並使正、負電荷分離開來，在雲中形成正負的荷電中心，當聚集的電量足夠大時，異性荷電中心之間就會發生擊穿放電而產生火花放電現象和強大的響聲，這就是雷電。

雷電開始出現的月份一般從南往北，由東向西逐漸推遲，一般於9～10月份結束。雷電產生的同時還經常伴隨有暴雨、大風、冰雹和龍捲風等災害性天氣出現。同時，雷電還有日變化，大陸上雷電一般多出現在白天，集中期在午後到傍晚之間。沿海和西部山區的許多河谷地區，易在夜間出現雷電。雷電出現後，一般持續瞬間多在1～2小時，並且南方地區比北方地區持續時間要長。

而冬季由於受大陸冷氣團控制，空氣寒冷而乾燥，加之太陽輻射弱，空氣不易形成劇烈對流，因而很少發生雷陣雨。但有時冬季天氣偏暖，暖溼空氣勢力較強，當北方偶有較強冷空氣南下，暖溼空氣被迫抬升，對流加劇，就會形成雷陣雨，出現所謂「雷打冬」的現象。氣象專家還說，雷暴的產生不是取決於溫度本身，而是取決於溫度的上下分布。也就是說，冬天雖然氣溫不高，但如果上下溫差達到一定值時，也能形成強對流，產生雷暴。冬打雷在中國很少見，但在加拿大多倫多的冬天就經常出現。

世界上雷雨最多的地方是位於印度尼西亞爪哇島上的茂物（熱帶雨林氣候），那裡平均每年約有322個雷雨日，有「世界雷都」之稱。還有一點也是要非常注意的，地球的兩極是不會發生雷電的。但是，那裡可是地球上空氣、水氣（冰粒）對流最劇烈的地方。

以下解釋可能是笑話了，還有人認為，地表、地下植物腐爛分解釋放大量可燃燒氣體，從地表面上升到一定的高度，受空氣間的磨擦、在壓力的作用下，達到一定溫度時，某一時刻發生劇烈的化學反應，所產生的能量以爆炸波的形式急劇釋放並向四周傳播，發出強光，伴有爆炸聲，同時還有強大的氣流，這一自然現象稱為雷電現象。

冬天的氣溫低，達不到空氣中可燃氣體爆炸的最低著火點，所以冬天雷電現象少。夏天，太陽直射北半球，地面空氣上升劇烈，摩擦速度快，所以更容易使雲層帶電。還有和我們所處的季風帶有關係。

電流在空氣中流過需要兩個條件，首先雲層要積累了大量的電荷，其次放電途徑順暢。下雪不打雷有兩個原因，一是下雪多在冬天，而雲產生電荷要有上升氣流和它的摩擦，冬天少有上升氣流，所以電荷積累不多。二是冬天裡空氣溼度不如夏天，溼潤的空氣才容易導電，所以冬天的雲不容易放電。看來這種解釋是他們根本不清楚溼度、溫度和雲之間的相互關係。

§7 其它行星上的閃電

為了使我們可以真正理解閃電的成因，以下先了解其他行星上閃電的生成和存在條件，它們可以讓我們總結出閃電成因的理論基礎。

因為閃電需要擊穿氣體，所以閃電不太在真空的空間裡出現。但在其他行星的大氣層內亦偵測到過閃電現象，如金星及木星等。人們在衛星數據中了解到，木星上的閃電比地球上的閃電強100倍左右，但是發生頻率只有地球上閃電的十五分之一。木星和土星磁場強度比地磁場高的多，大氣對流激烈，因而閃電非常頻繁，閃電強度要比地球上的閃電強大得多。

從「伽利略」太空船拍攝回來的照片，科學家發現木星上的閃電，是由木星上大規模的氣流和低氣壓造成，顯示木星表面有氣體對流和下雨的現象。「伽利略」太空船拍攝木星三個地方的閃電情形，讓我們相信，閃電所產生的能量相等於三千萬個一百瓦特的電燈泡，比地球的閃電要強數百倍。

美國太空網的報導，美國愛荷華大學的研究人員日前在土星上觀測到有記錄以來最大最強的閃電，釋放出的能量是地球上最強閃電的1000倍。暴風雨經過的面積比整個美洲大陸還要大。愛荷華大學的研究人員利用卡西尼太空船上的設備，首次觀測到土星上的雷雨閃電。卡西尼太空船到達土星後，見過的最強閃電和最大的暴風雨。飛船記錄下了35次連續閃電，每次持續的時間都超過10個小時。

至於金星閃電的具體情況現在還在爭論中。在70年代到80年代中前蘇聯的金星號(Venera)和美國的先驅者的資料顯示，在金星的上層大氣中發現過閃電，但是卡西尼—惠更斯號(Cassini-Huygens)經過金星的時候卻沒有發現任何閃電的過程。金星上沒有磁場，但是大氣很厚，達90個地球標準大氣壓，還有幾十公裡厚的硫酸雲層，硫酸雲層也是電的導體，但是在金星上沒有探測到閃電。當「卡西尼」號探測器與「伽利略」號探測器飛過金星、並對其進行探測時，也沒有接收到由閃電釋放出的電磁波，說明金星那裡根本沒有閃電。

火星沒有磁性，大氣稀薄，沒有雲層，所以沒有發現火星閃電。

依據各行星上雷電出現情況的總結：行星雷電的出現與行星磁場和行星大氣的具體情況相關。

§8 閃電成因總結

經過以上各節的討論，在我們的腦海裡已經有一個大概的輪廓。閃電是雲間顆粒相互作用產生電量的理論，不可靠，因為沒有實驗基礎。閃電是帶電雲對雲層或大地放電的結果，但是對於雲層起電的原因，至今仍還沒有令人信服的解釋。許多有識之士和科學家亦認為地球雲層帶電的原因應該是來自於地磁場。並且歸納出如下幾點：

1、從太陽系行星得來的知識，天體必須具有足夠強度的磁場；

2、天體必須有大氣並能生成雲團，雲團要有足夠的密度，就是說雲團足夠稠密，使其成為良好的導體，才能在磁場中起作用；

3、雲團要有足夠的對地面積，這樣在運動中切割磁力線相對較有效；有大的面積和與地面相對較短的距離，依據電容原理，這樣才能存儲更多的電擊能量；

4、雲團橫向切割磁力線的運動速度要快，也就是說雲團的對流要強烈（運動方向與雲團裡面帶電的極性相關）；

5、兩團獨立的雲，因為對地的相對速度不同和對地的距離不同，所以它們之間也是存在電位差的，這種電位差也會產生其間雷電；

6、根據地磁場的特性，赤道圈的地電流是球體的最大電流處（在以後章節處討論），所以赤道附近發生的雷電現象最多。

依據以上六點我們再來探討相關的情況。再看到地球雷電現象，以致存在的土星、木星的強雷電現象，我們就不覺的奇怪了。

一、電的成因很多，從已知的物理理論來看，有許多能夠產生電位差的方法：化學能電、摩擦生電、磁場發電、光電轉換、射線照射反映電、溫差發電、生物感應電等，還有其它許多能將電子脫離原子核而產生電位差方法。然而根據物理學的能量守恆定律，所有產生電的方法都不可能無中生有。也就是說，電能產生出來必須要有能量來源。地磁場給雷電提供能源，是各種閃電成因中最為可信的解釋方案。

在雲中能為其提供能源而產生電位差的不外乎有四種可能：首先是太陽光，但是常識告訴我們普通光線直接照射在水蒸汽上是不能產生電位差的。第二是氣體對流，在實驗室裡我們無法得到不帶磁性的蒸汽流體所能發出來的電，在地球上最強對流天氣在南北極，那裡卻沒有雷電現象。第三就是溫差了，霰粒撞凍起電理論的實質就是一種溫差能，雲中溫差能為強大的雷電現象提供能源，這是誰都不會相信的。第四就是地磁場了，除了它就再也找不到其它的能量的來源了。

雷電每年的能量消耗是特別巨大的，地磁場的能量來源又是誰提供的呢？這個問題我們在以後的章節裡面去討論。

二、根據我們觀測到的其它行星體的雷電情況，探討各星體的具體起電細節：

1、水星和火星雖然有很微弱的地磁場，但是卻沒有能生成導電雲層的濃密大氣，所以水星和火星沒有雷電現象。

2、金星有非常濃密的大氣，也有強對流現象，只是它幾乎沒有磁場。它是否有雷電現象，還在爭論之中（在第八章我們詳細討論），但是就是有的話，也只有在向陽面，是非常難以見到和非常弱的。

3、木星和土星有著非常強大的磁場，也有著非常濃密的氣層，但是它的氣層是氫的氣層和氫、氦的雲體。木星和土星的雷電現象要比地球上的現象強烈100倍。但是舊有的地球雷電起因理論在這裡是不適用的，因為流動的氫、氦氣體也不會摩擦生電。

4、天王星和海王星有強大的磁場和濃密的氣層，有雷電現象應該沒有問題，只是它們的磁場很奇怪，所以其上的雷電也會很奇怪。

三、電容在雷電現象過程中是個不容忽視的重要因素，沒有它的存在，在雲層與地面之間就不可能保持強大的電擊能量。

電容是一種電氣裝置，由通過絕緣介質分開的兩個導電錶面構成。在導電錶面上施加電壓時，導電錶面的電荷分離形成的互引電場。它可以存儲電的能量。

用一片塑料包裝紙隔開兩片鋁箔，您可以製成一個簡易電容。電容的質量取決於這兩片金屬箔的大小、塑料紙的絕緣效果以及厚度——兩片金屬箔靠得越近，電容存儲量越高。一個好的大型電容能夠輕易存儲足以熔化金屬的電能。

積雨雲與地面之間就像一個巨型電容。雲層的底部和大地表面就好比是兩片金屬箔。雲與地面這個電容，可以存儲大量的電能量。

四、地球外殼帶有電荷，我們在許多自然現象裡都可以感覺到它的存在。雷電現象說明了電荷在地球赤道附近的電量最大，隨著緯度的增加，電流量越來越小。南北極地表下幾乎沒有電流流動（有資料顯示地球外殼帶有50萬庫侖以上的電荷）。亞熱帶的地電流與季節相關。地殼中的電與地磁場相關。

本章重點概要

（一）富蘭克林用收集起來的天電做了實驗，結果證明它的性質與用其它方法得到的電的性質完全相同，雷電只是劇烈的放電現象。

（二）用摩擦生電、霰粒撞凍等理論解釋雷電現象，都得不到令人滿意的實驗結果。

（三）當我們從衛星探測器上得知，太陽系中其它行星的雷電狀況時，來看地球上的雷電現象，分析起來就容易了。

（四）雷電產生出來必須要有能量來源，地磁場給雷電提供能源，地電場雷電解釋是各種閃電成因中最為可信的解釋。

（五）電容在雷電現象過程中是個不容忽視的重要因素，沒有它的存在，在雲層與地面之間就不可能保持那麼大的電能量。

（六）地球外殼帶有電荷，雷電現象說明了電荷在地球赤道附近的電量最大，隨著緯度的增加，電量越來越小。地殼中的電與地磁場相關。雷電現象和地殼帶電相互印證。亞熱帶的地電流與季節相關。地殼中的電與地磁場相關。