雷電之源

駱昌芹

春雷響，萬物長。春雷始鳴，世間萬物開始復蘇。每年春季，尤其是在驚蟄以后，明顯增強的暖濕空氣就會與負隅頑抗的冷空氣激烈對峙，引發(fā)強烈的空氣垂直對流運動，當潮濕的暖空氣上升到一定高度時就會形成高大的積雨云，云中強烈的電場使正負電荷發(fā)生碰撞而放電，從而使萬鈞雷霆驟然發(fā)生。

雷電是自然界中最驚心動魄的景象之一了。這種雄偉壯觀而又有點令人生畏的現(xiàn)象，充分展示出大自然的強大力量！

強大的力量

據(jù)不完全統(tǒng)計，世界各地平均每小時會降下1800～2000場雷雨，每秒鐘會發(fā)出100次閃電，每24小時內(nèi)會有大約850萬個閃電襲擊地面。

有聲有色的雷電并非虛張聲勢，它確實蘊含著無窮的威力。1975年，一次強大的閃電襲擊了津巴布韋烏姆塔利城附近的一座茅屋，21人瞬間喪生。在美國，平均每年死于雷電者多達125人，還有3萬幢房屋和其他建筑物被摧毀。雷電還會劈斷樹木、引發(fā)火災、干擾無線電通信等。此外，雷電通常還“夾帶”著狂風、暴雨、冰雹而來，往往會對人類的生產(chǎn)生活造成極大的危害。

正是因為雷電恐怖的威懾力，古人對這種現(xiàn)象往往充滿著敬畏之心。在18世紀以前，人們對雷電還一無所知，認為這是大自然的懲罰，中國民間也流傳著許多關(guān)于“雷公電母”的神話傳說，甚至當時不少科學家都認為雷電是由毒氣在空中爆炸引發(fā)的。

科學的認知

第一個揭開雷電秘密的是美國著名學者本杰明·富蘭克林。富蘭克林在研究靜電時發(fā)現(xiàn)，空中閃電與實驗室里的摩擦生電有很多相似之處。為了了解兩者之間的具體關(guān)聯(lián)，1752年夏天，富蘭克林用木條和絲手帕制作了一個大風箏，他在風箏的頂端纏上一根細鐵絲，把它與放風箏的麻繩連接起來，麻繩末端系著一段不導電的綢帶以便抓握，而在麻繩與綢帶之間則系有一把鐵鑰匙。

當雷雨傾盆時，富蘭克林帶著小兒子奔向野外，頂著狂風暴雨把這奇異的風箏送上了高空云層中。不一會兒，麻繩便因淋濕變成了良導體。隨著電光閃閃，雷聲隆隆，風箏和繩索全都帶電了，麻繩上原本雜亂的纖維奇妙地直立起來。富蘭克林忽然覺得手有點發(fā)麻，當他興奮地把手指挨近那把鐵鑰匙時，立刻就有電火花向他指尖襲來。這些現(xiàn)象與實驗室中帶電物體的性質(zhì)完全相同。原來閃電不過是大氣中的強烈放電現(xiàn)象！通過這個小小的實驗，富蘭克林把上帝和雷電區(qū)分開來，全世界都轟動了。

此后，各國不少科學家也都進行了類似的實驗。俄國著名科學家羅蒙諾索夫和他的朋友利赫曼教授，各自把長鐵桿的一端裝在室外，另一端引進自己的實驗室內(nèi)，制成了“測雷機”，多次觀察到了打雷時發(fā)出的電火花。可惜的是，在1753年7月26日的一次雷雨中，一個拳頭大小的球狀閃電被導入了利赫曼的實驗室里，落在了他的頭上，教授不幸殞命。

雖然人類在探索雷電之謎的道路上付出了沉痛代價，但終究揭開了雷電的神秘面紗。

未解的秘密

不知大家是否注意到，出現(xiàn)雷電時不一定會伴有雨，但是電閃雷鳴總是會與烏云結(jié)伴出現(xiàn)。人們通常把能制造雷電和雷雨的烏云叫做雷雨云。

通過大量的研究探測，科學家已經(jīng)證實：雷雨云在快速發(fā)展時，云體就會開始帶有大量電荷，而且總是在云體上部集中正電荷，云體下部集中負電荷。由于電的感應作用，又會使雷雨云籠罩下的地面帶有正電荷。如此一來，在云的上下部之間、云與云之間、云與地面之間，就會同時形成幾個很強的電場。隨著電場兩邊的電位差越來越大，正負電荷間就會發(fā)生擊穿空氣的放電現(xiàn)象，并激發(fā)空氣發(fā)光，這就是閃電。每次閃電的電流都會高達幾萬甚至幾十萬安培，溫度超過20000℃，比太陽的表面溫度還高5倍。而在狹窄的閃電通道中，空氣還會被突然劇烈加熱，迅速膨脹，而后其體積又會陡然縮小，并由此發(fā)生振動，造成雷聲隆隆。

雖然科學家了解了雷電的產(chǎn)生機理，但為什么雷雨云會帶電呢，為什么雷雨云中的電荷總是呈上正下負的分布呢？自從富蘭克林揭示了雷電本質(zhì)之后，無數(shù)科學家就為查明雷電之源絞盡腦汁，提出過不下幾十種假說。這些假說大致可歸納為三類：第一類認為是雷雨云吸附空氣中的帶電離子而起電;第二類把原因歸于云粒子受到外界電場的感應，因為大氣即使在晴朗時也存在電場;第三類則認為帶電云層是由于云粒子之間的相變、摩擦、破碎等機械作用或云粒子的化學變化而形成的。

甚至還有一位植物學家也提出了自己的見解，他認為雷雨云中的電荷是由地面上的綠色植物產(chǎn)生的：樹葉和青草會向大氣分泌大量帶有揮發(fā)性的有機物質(zhì)，如芳香油等，在一定條件下，這些物質(zhì)會分解出正離子，并在云表面形成電荷。為了證實這一假說，他還計算出了植物產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)里所含的能量，其結(jié)果恰好等于地球上雷電釋放的能量。此外，他還提出了一些佐證：絕大多數(shù)雷電只發(fā)生在生長植物的地區(qū)，最強烈的雷電大多發(fā)生于熱帶雨林上空，而在沙漠或兩極這些不毛之地，則幾乎不發(fā)生雷電。在溫帶地區(qū)，隨著大地一片新綠的春天來臨，雷雨季節(jié)也會一起到來;而在葉落草枯的秋冬時節(jié)，雷電也就銷聲匿跡了。

當然，大多數(shù)科學家并不接受這個觀點，他們更相信云層帶電是因為水蒸氣微粒在上升或下降過程中和空氣發(fā)生摩擦之故。2016年，中國科學家又提出了新觀點——紫外線光解水帶電效應。他們從光化學反應角度做出了解釋，認為雷雨云帶電，是由于高空中的云朵受到波長小于258納米的紫外線照射，發(fā)生了光化學反應而伴隨產(chǎn)生的一個物理現(xiàn)象。

然而，至今也沒有一個解釋能夠說服大家，目前十幾種大相徑庭的假說（如水滴破裂效應、吸電荷效應、水滴凍冰效應、溫差起電效應等），都是從物理角度入手解釋云是如何帶電的，但也都沒能完美地說清雷電的起源。也許，雷雨云帶電并不是由一種效應導致的，而是由多種效應共同作用而成的。