閃電——空中的驚人奇觀

你若喜歡的話，請考慮一下一種無法控制的力量，也是世界最驚人的奇觀之一——雷電交作！大多數人都在某個時期曾經歷過雷雨及其驚人的景象;傾盆大雨，眩目的閃電，霹靂的雷聲以及對另一次雷電的擔心預期。

你喜歡知道多一點關於天空的這種神祕電力現象是什麼所促成的嗎？大雷雨在產生這樣可怕力量時是如何進行的？既然閃電是大氣層中的電流發揮力量，我們需要知道空氣中的電力情況才能明白閃電的起源。

荷電的大氣層

我們通常並不察覺，我們住在其中的大氣層是高度荷電的。大氣層的電位的確大得驚人。在晴朗天氣下，地面的電位升高，平均每公尺150伏特（每呎45伏特）。以地面而論，空氣是屬陽電的，高度愈大，伏特率也愈大。

這意味到你若站在露天地方，離開房屋和樹木，你頭上的空氣水平比地面水平高出250伏特的電力。可是，為什麼我們沒有感覺到電力的效果呢？一個人可能觸到這麼高伏特的電，和充足的電流，但我們沒有感到絲毫火花。原因是，空氣是優良的絕緣體。同時我們的皮膚是頗佳的導電體，它使我們的身體保持電位均衡。只有利用極敏感的工具，小心絕緣及在隔離其他可能攜帶靜電荷的物體時，才可以衡量得到大氣層的電位。

電位若以這樣的比率繼續升高，則僅在一百公尺（328呎）高度便會升至15,000伏特。可是，電位也受到高空環境所限制，在同溫層之上，空氣變成了導電體。什麼促成這種差別——同一空氣在地面上是良好絕緣體，在高空又變成良好導電體呢？答案在於電離現象。

空氣分子，無論是氮或氧的分子，在平時是中性的。這意味到每個原子核的陽電荷被周圍電子的陰電荷所平衡。但是一個電子若離開軌道，脫離了陽電荷的分子。於是這個分子就變成電離化。或簡稱離子。

電離現象的原因不一，但主要原因是在晴天大氣層較低處有宇宙射線從外太空轟炸地球。高能量的微粒大力打擊空氣分子，以致電子被打脫而離開了陽離子。游離的電子或許與其他分子結合，組成陰離子，在50公里（30哩）上的低空有足夠的離子產生，使空氣成為優良的導電體。

我們稱這層導電空氣為電圈。它有時被包括在電離圈內，但電離圈一名通常適用於一百公里（60哩）上的較高氣層，它是反射無線電電波的。

同時，地面也是良好的導電體。這樣，離子所攜帶的電流遂溶解於地下水中。任何以離子形式出現的礦物質均可溶於水。因此，普通食鹽含有陽性鈉離子和陰性氯離子。石膏由鈣和硫的離子組成。一切地下水均含有或多或少的溶解了的礦物質，甚至較乾的地土也有一些水份。是故，雖然小撮的土所含的電流不多，但地殼是如此巨大，以整體而論，它是極佳的導電體。

優良導電體的各部份在同一電位上必然是靜電的。若有外力使電位升高一點，電流便會流向電位較低部份直至均衡為止。地球的情形是如此。電圈的情形也是如此。但大氣層的較低之處卻是絕緣體，它將兩者分開。這可能使兩者的電位保持巨大差別。事實上，這個系統組成一個巨大的凝電器，其中的地球是陰性的，電圈是陽性的。橫越大氣層的電位平均300,000伏特。這個數字在一年當中每月每日每時都在改變。

完全的絕緣是什麼都沒有的。只有用足夠敏感的工具以及在大氣層的低處才能察出極細小的電流。其中若有輕微的導電性便是因為少許宇宙射線透入地上之故。地球有過剩的電子，這些電子不斷從地面的大量尖端漏脫。放電的尖端是樹葉的末梢、草片的尖端甚或沙粒的尖角。聳立半空的人造建築物的尖頂和屋頂角隅壓縮週圍的電場，這些尖端遂整批地放出電子。在整個地球上，這些細小的放電加起來足以使全部電流在不足一小時內完全放入電圈中。那麼，必需有充電的機械力量才可保持地上的過剩電子。這便是閃電故事的由來。

大雷雨等於發電機

我們看到空中有多種的雲。其中大多數是塊狀和平直的。但最引人入勝的是美麗的白色積雲，它們像巨大的柳菜花一般在蔚藍的高空湧現。在適當的天氣情況下，大堆積雲不斷增長，升高至數千公尺直達電圈，同時在基部擴闊。於是變成積雨雲或圓塊積雲。當它充分發展時，雲頂飄動作羽毛狀擴散，組成我們所熟悉的密雲。在遠處觀看是美麗的，但在圓塊積雲下的地方卻是天色昏暗，陰霾密布。不久便傾盆大雨，有時兼下雹，浸透了下面的地土。

這種雲可以發出閃電和打雷。它像一個空中龐大發電機，高聳達八至十八里（5-11哩），覆蓋的地方達3,000平方公里（1,150方哩）。雲裡有激烈的上氣流和下氣流，以四十至一百公里（25-60哩）的時速拖動水點和冰點。當雲堆在捲動、翻滾、洶湧和膨脹時，無數的雨點、冰點、霰和雹便被拖上拖落。

當然，重力場不斷把水和冰拖下，於是發生了磨擦，電子和離子在空氣、水和冰的交互碰撞中撕裂。電荷也被狂風分開。狂風把陽電荷帶到雲頂，而雨點卻把陰電荷送到雲底。雲層成熟時頂部與底部的電位差距也隨之增加。最後由於負荷過度而「在接合處爆炸」。雲層瘋狂地找尋出路以疏散在它裡面攪動的數百萬伏特電力。空氣的絕緣性抵受不了這麼大的電壓。它終於爆破，發出眩目的閃電來緩和壓力。

在任何指定的時間內，估計整個地球正有3,000次的雷雨在進行中，其中大多數發生於陸地上空。

大部份閃電發生於雲層之內，但是陰電荷若在雲底堆積而壓倒地球的正常電位時，閃電也會觸到地面，把電子帶到地上。當雲層消散時，雲頂的陽電荷遂進入電圈。在天氣晴朗之際，陽離子穿過大氣層落到地球以中和陰電荷，而陰離子則升入電圈加以中和。於是循環遂告完成。

閃電怎樣形成

在雲裡研究閃電是件難事;它不是可供科學家及其精巧工具去研究的舒適環境。可是觸到地面的閃電卻可以見得到，並也可用高速攝影機拍攝照片，科學家因而獲悉閃電的形成步驟。這是照片所透露的。

據從實驗室研究空氣中的電力變化所知，閃電開始於電力場的強度達到每方尺三百萬伏特（每吋75,000伏特）時。當時有少數電子被宇宙射線打脫，大力撞向電壓，從它所擊的中性分子中打脫其他電子。這些電子又反過來加速撞向新的分子，使之電離化。因此大堆電子從雲中的陰電荷脫出，留下了大堆陽離子。這樣削弱了空氣的抵抗力，使形成中的閃電有路可通而穿過絕緣層。

設計成在百萬份之一秒（微秒）停止動作一下的攝影機表明閃電是逐步的行動。「電步的先端」在空氣抵抗力暫時轉弱之處破雲而出，電子堆前進五十公尺（160呎）左右。於是「耗盡了氣」，那便是說，當電位在它的頂端堆積時它暫停下來。在五十微秒之後，它又再破雲而出，也許向不同的方向前進，按照電離化的空氣在該處的抵抗力而定。因此，逐步地，相繼而來的先端以一至十公尺（3-30呎）的寬度在強力的電離化空中奪路而出，到達地上。

有些地方的空氣比其他地方的較為電離化，先端的起伏不定的通路遂隨之轉彎抹角，盡量利用各個有利的變化。因此我們所常見的閃電作開叉形，它向一方或另一方發出，由各個分叉探察，找尋最易的路徑到達地上。當它接近五十公尺（160呎）的目標時，從地面的有利之點有一條氣流上升與之相遇。這便完成了循環！雲層有一條管狀通路，從中卸卻不勝負荷的過剩電子。

首先，通路中最接近地面的電子隨著從上面壓下來的電子起伏不定。因此回流的閃擊在光芒中以接近光速的程度衝上雲層。先端雖然要20,000微秒的時間才到達地面，但回流的閃擊只要70微秒就完成行程。這時雲層在40微秒左右便放出一條10,000至20,000安培以上的電流。在這剎那間它發出數十億千瓦的電力——強於全球發電廠所發電力的總和。的確，它真是驚人的電力表現！

閃擊立刻消失，但很少至此為止。空氣中的閃電通路還在，它仍是極之電離化的。雲層的其他部份仍有高度電荷閃過已經放電的地方，繼續達到地面打開了的通路。因此許多時三、四次閃擊相繼而來，但它們是重覆得這麼快速以致看起來像一閃而過。有時需要十數次閃擊才卸清雲中的電荷。

閃電完成工作只需五分之一秒的時間。現在正如有句話說，『除了喊聲，一切都過去了。』在這例子上，喊聲便是打雷。你也許聽到霹靂、轟轟、隆隆之聲，視乎你離閃電多遠而定。在閃電通路中有一條僅有幾公分（約一吋）厚的狹窄、彎曲空氣圓筒，但熱度卻超過攝氏30,000°（華氏55,000°）。氣流一經消失，超熱力的氣柱便以超音的速度膨脹爆炸。膨脹發出的震波所形成的雷聲在二十五公里（15哩）外也可以聽到。

你也許納罕，為什麼造物主認為造閃電在雲中是合適的？它對人有任何好處嗎？的確有。它在氮氣天然循環中擔任重要角色。氮是養生要素，大氣層中充滿了氮。但生物卻不能直接加以運用。可是，在閃電衝擊中，強度的熱力把氮和氧分裂成原子，在微冷之後，原子結合起來組成氧化氮。這些化合物溶解在雨中被帶到土壤裡。它在土壤裡轉變成硝酸鹽，作為植物生長的重要肥料。這是氮的天然處理的主要過程。據估計每年的大雷雨可以供應數百萬噸的硝酸鹽。

與閃電一同生活

當閃電發生時，你的確有理由感到不安，它有巨大的毀壞潛力。閃電能打斷樹木和電話杆，在屋頂和牆壁穿孔，焚燒森林和房屋。許多時，樹木所觸的電流是如此強大，以致木中的水份立刻蒸發，極熱的蒸汽將整棵樹擊成碎片。

顯然地，閃電也有殺傷力。在雷雨時躲避樹下的動物在閃電打擊樹木時往往觸電。人們許多時遭受同一命運，特別以在海灘和高爾夫球場上為然。這些地方的獨樹很容易成為電擊目標。你若被雷雨所阻，切勿走向孤立的樹下尋求庇護。在樹林中則要避開高樹。不可靠近鐵線籬笆、鉛管和鐵路軌道。在山谷比在岡頂更為安全。

你所住的地方若時常發生大雷雨，明智的作法是以避雷針保護房屋。有效的避雷針必須深插地內。針的尖頂連著粗鐵線（從房屋絕緣）一直通至埋藏地下的金屬纜或碟，這樣可以吸引閃電，將之導入地內成為無害。引入屋內的電視天線或電線可用避雷器保護。

你若在汽車或火車裡遇到雷雨，大可不必發愁。周圍的金屬車廂可以分散電流和引入地中。同樣，飛機乘客在閃電時也是安全的。雷殛飛機並非不常見，金屬機身有時被洞穿小孔，但從未聞過報導飛機被雷殛墜毀。當然，狂風中的大雷雨相當危險，機師繞道是明智的。

藉著小心防範，下次大雷雨襲擊你的地區時便可以放心欣賞這項表現造物主力量的景象。知道閃電的作用應該使你對空中驚人奇觀增加體會。

［第19頁的圖表］

典型的閃電

長度:3哩（5公里）

一擊:3或4次

最高電流:20,000

安培電量:100,000,000伏特

最高電力:2,000,000,000瓦

耐力:1/5秒

［第16頁的附圖］

（排版後的式樣，見出版物）

地球大氣層電力循環

電子流循環

陽電荷強（電子不足）

陰電荷強（電子過剩）

閃電

好天氣離子流

陽電荷弱（電子被雲驅走）

陰電荷弱（電子過剩）