闪电——空中的惊人奇观

你若喜欢的话，请考虑一下一种无法控制的力量，也是世界最惊人的奇观之一——雷电交作！大多数人都在某个时期曾经历过雷雨及其惊人的景象;倾盆大雨，眩目的闪电，霹雳的雷声以及对另一次雷电的担心预期。

你喜欢知道多一点关于天空的这种神秘电力现象是什么所促成的吗？大雷雨在产生这样可怕力量时是如何进行的？既然闪电是大气层中的电流发挥力量，我们需要知道空气中的电力情况才能明白闪电的起源。

荷电的大气层

我们通常并不察觉，我们住在其中的大气层是高度荷电的。大气层的电位的确大得惊人。在晴朗天气下，地面的电位升高，平均每公尺150伏特（每尺45伏特）。以地面而论，空气是属阳电的，高度愈大，伏特率也愈大。

这意味到你若站在露天地方，离开房屋和树木，你头上的空气水平比地面水平高出250伏特的电力。可是，为什么我们没有感觉到电力的效果呢？一个人可能触到这么高伏特的电，和充足的电流，但我们没有感到丝毫火花。原因是，空气是优良的绝缘体。同时我们的皮肤是颇佳的导电体，它使我们的身体保持电位均衡。只有利用极敏感的工具，小心绝缘及在隔离其他可能携带静电荷的物体时，才可以衡量得到大气层的电位。

电位若以这样的比率继续升高，则仅在一百公尺（328尺）高度便会升至15,000伏特。可是，电位也受到高空环境所限制，在同温层之上，空气变成了导电体。什么促成这种差别——同一空气在地面上是良好绝缘体，在高空又变成良好导电体呢？答案在于电离现象。

空气分子，无论是氮或氧的分子，在平时是中性的。这意味到每个原子核的阳电荷被周围电子的阴电荷所平衡。但是一个电子若离开轨道，脱离了阳电荷的分子。于是这个分子就变成电离化。或简称离子。

电离现象的原因不一，但主要原因是在晴天大气层较低处有宇宙射线从外太空轰炸地球。高能量的微粒大力打击空气分子，以致电子被打脱而离开了阳离子。游离的电子或许与其他分子结合，组成阴离子，在50公里（30哩）上的低空有足够的离子产生，使空气成为优良的导电体。

我们称这层导电空气为电圈。它有时被包括在电离圈内，但电离圈一名通常适用于一百公里（60哩）上的较高气层，它是反射无线电电波的。

同时，地面也是良好的导电体。这样，离子所携带的电流遂溶解于地下水中。任何以离子形式出现的矿物质均可溶于水。因此，普通食盐含有阳性钠离子和阴性氯离子。石膏由钙和硫的离子组成。一切地下水均含有或多或少的溶解了的矿物质，甚至较干的地土也有一些水份。是故，虽然小撮的土所含的电流不多，但地壳是如此巨大，以整体而论，它是极佳的导电体。

优良导电体的各部份在同一电位上必然是静电的。若有外力使电位升高一点，电流便会流向电位较低部份直至均衡为止。地球的情形是如此。电圈的情形也是如此。但大气层的较低之处却是绝缘体，它将两者分开。这可能使两者的电位保持巨大差别。事实上，这个系统组成一个巨大的凝电器，其中的地球是阴性的，电圈是阳性的。横越大气层的电位平均300,000伏特。这个数字在一年当中每月每日每时都在改变。

完全的绝缘是什么都没有的。只有用足够敏感的工具以及在大气层的低处才能察出极细小的电流。其中若有轻微的导电性便是因为少许宇宙射线透入地上之故。地球有过剩的电子，这些电子不断从地面的大量尖端漏脱。放电的尖端是树叶的末梢、草片的尖端甚或沙粒的尖角。耸立半空的人造建筑物的尖顶和屋顶角隅压缩周围的电场，这些尖端遂整批地放出电子。在整个地球上，这些细小的放电加起来足以使全部电流在不足一小时内完全放入电圈中。那么，必需有充电的机械力量才可保持地上的过剩电子。这便是闪电故事的由来。

大雷雨等于发电机

我们看到空中有多种的云。其中大多数是块状和平直的。但最引人入胜的是美丽的白色积云，它们像巨大的柳菜花一般在蔚蓝的高空涌现。在适当的天气情况下，大堆积云不断增长，升高至数千公尺直达电圈，同时在基部扩阔。于是变成积雨云或圆块积云。当它充分发展时，云顶飘动作羽毛状扩散，组成我们所熟悉的密云。在远处观看是美丽的，但在圆块积云下的地方却是天色昏暗，阴霾密布。不久便倾盆大雨，有时兼下雹，浸透了下面的地土。

这种云可以发出闪电和打雷。它像一个空中庞大发电机，高耸达八至十八里（5-11哩），覆盖的地方达3,000平方公里（1,150方哩）。云里有激烈的上气流和下气流，以四十至一百公里（25-60哩）的时速拖动水点和冰点。当云堆在卷动、翻滚、汹涌和膨胀时，无数的雨点、冰点、霰和雹便被拖上拖落。

当然，重力场不断把水和冰拖下，于是发生了磨擦，电子和离子在空气、水和冰的交互碰撞中撕裂。电荷也被狂风分开。狂风把阳电荷带到云顶，而雨点却把阴电荷送到云底。云层成熟时顶部与底部的电位差距也随之增加。最后由于负荷过度而“在接合处爆炸”。云层疯狂地找寻出路以疏散在它里面搅动的数百万伏特电力。空气的绝缘性抵受不了这么大的电压。它终于爆破，发出眩目的闪电来缓和压力。

在任何指定的时间内，估计整个地球正有3,000次的雷雨在进行中，其中大多数发生于陆地上空。

大部份闪电发生于云层之内，但是阴电荷若在云底堆积而压倒地球的正常电位时，闪电也会触到地面，把电子带到地上。当云层消散时，云顶的阳电荷遂进入电圈。在天气晴朗之际，阳离子穿过大气层落到地球以中和阴电荷，而阴离子则升入电圈加以中和。于是循环遂告完成。

闪电怎样形成

在云里研究闪电是件难事;它不是可供科学家及其精巧工具去研究的舒适环境。可是触到地面的闪电却可以见得到，并也可用高速摄影机拍摄照片，科学家因而获悉闪电的形成步骤。这是照片所透露的。

据从实验室研究空气中的电力变化所知，闪电开始于电力场的强度达到每方尺三百万伏特（每寸75,000伏特）时。当时有少数电子被宇宙射线打脱，大力撞向电压，从它所击的中性分子中打脱其他电子。这些电子又反过来加速撞向新的分子，使之电离化。因此大堆电子从云中的阴电荷脱出，留下了大堆阳离子。这样削弱了空气的抵抗力，使形成中的闪电有路可通而穿过绝缘层。

设计成在百万份之一秒（微秒）停止动作一下的摄影机表明闪电是逐步的行动。“电步的先端”在空气抵抗力暂时转弱之处破云而出，电子堆前进五十公尺（160尺）左右。于是“耗尽了气”，那便是说，当电位在它的顶端堆积时它暂停下来。在五十微秒之后，它又再破云而出，也许向不同的方向前进，按照电离化的空气在该处的抵抗力而定。因此，逐步地，相继而来的先端以一至十公尺（3-30尺）的宽度在强力的电离化空中夺路而出，到达地上。

有些地方的空气比其他地方的较为电离化，先端的起伏不定的通路遂随之转弯抹角，尽量利用各个有利的变化。因此我们所常见的闪电作开叉形，它向一方或另一方发出，由各个分叉探察，找寻最易的路径到达地上。当它接近五十公尺（160尺）的目标时，从地面的有利之点有一条气流上升与之相遇。这便完成了循环！云层有一条管状通路，从中卸却不胜负荷的过剩电子。

首先，通路中最接近地面的电子随着从上面压下来的电子起伏不定。因此回流的闪击在光芒中以接近光速的程度冲上云层。先端虽然要20,000微秒的时间才到达地面，但回流的闪击只要70微秒就完成行程。这时云层在40微秒左右便放出一条10,000至20,000安培以上的电流。在这刹那间它发出数十亿千瓦的电力——强于全球发电厂所发电力的总和。的确，它真是惊人的电力表现！

闪击立刻消失，但很少至此为止。空气中的闪电通路还在，它仍是极之电离化的。云层的其他部份仍有高度电荷闪过已经放电的地方，继续达到地面打开了的通路。因此许多时三、四次闪击相继而来，但它们是重覆得这么快速以致看起来像一闪而过。有时需要十数次闪击才卸清云中的电荷。

闪电完成工作只需五分之一秒的时间。现在正如有句话说，‘除了喊声，一切都过去了。’在这例子上，喊声便是打雷。你也许听到霹雳、轰轰、隆隆之声，视乎你离闪电多远而定。在闪电通路中有一条仅有几公分（约一寸）厚的狭窄、弯曲空气圆筒，但热度却超过摄氏30,000°（华氏55,000°）。气流一经消失，超热力的气柱便以超音的速度膨胀爆炸。膨胀发出的震波所形成的雷声在二十五公里（15哩）外也可以听到。

你也许纳罕，为什么造物主认为造闪电在云中是合适的？它对人有任何好处吗？的确有。它在氮气天然循环中担任重要角色。氮是养生要素，大气层中充满了氮。但生物却不能直接加以运用。可是，在闪电冲击中，强度的热力把氮和氧分裂成原子，在微冷之后，原子结合起来组成氧化氮。这些化合物溶解在雨中被带到土壤里。它在土壤里转变成硝酸盐，作为植物生长的重要肥料。这是氮的天然处理的主要过程。据估计每年的大雷雨可以供应数百万吨的硝酸盐。

与闪电一同生活

当闪电发生时，你的确有理由感到不安，它有巨大的毁坏潜力。闪电能打断树木和电话杆，在屋顶和墙壁穿孔，焚烧森林和房屋。许多时，树木所触的电流是如此强大，以致木中的水份立刻蒸发，极热的蒸汽将整棵树击成碎片。

显然地，闪电也有杀伤力。在雷雨时躲避树下的动物在闪电打击树木时往往触电。人们许多时遭受同一命运，特别以在海滩和高尔夫球场上为然。这些地方的独树很容易成为电击目标。你若被雷雨所阻，切勿走向孤立的树下寻求庇护。在树林中则要避开高树。不可靠近铁线篱笆、铅管和铁路轨道。在山谷比在冈顶更为安全。

你所住的地方若时常发生大雷雨，明智的作法是以避雷针保护房屋。有效的避雷针必须深插地内。针的尖顶连着粗铁线（从房屋绝缘）一直通至埋藏地下的金属缆或碟，这样可以吸引闪电，将之导入地内成为无害。引入屋内的电视天线或电线可用避雷器保护。

你若在汽车或火车里遇到雷雨，大可不必发愁。周围的金属车厢可以分散电流和引入地中。同样，飞机乘客在闪电时也是安全的。雷殛飞机并非不常见，金属机身有时被洞穿小孔，但从未闻过报导飞机被雷殛坠毁。当然，狂风中的大雷雨相当危险，机师绕道是明智的。

借着小心防范，下次大雷雨袭击你的地区时便可以放心欣赏这项表现造物主力量的景象。知道闪电的作用应该使你对空中惊人奇观增加体会。

［第19页的图表］

典型的闪电

长度:3哩（5公里）

一击:3或4次

最高电流:20,000

安培电量:100,000,000伏特

最高电力:2,000,000,000瓦

耐力:1/5秒

［第16页的附图］

（排版后的式样，见出版物）

地球大气层电力循环

电子流循环

阳电荷强（电子不足）

阴电荷强（电子过剩）

闪电

好天气离子流

阳电荷弱（电子被云驱走）

阴电荷弱（电子过剩）