大气电场雷电及球状闪电的形成机理

大气电场、雷电及球状闪电的形成机理（23）

罗于根

本文从分子的角度，结合宇宙射线，去解释大气电场、雷电及球状闪电的形成机理，以及如何防范球状闪电对人体的伤害。

1．引言

绚丽多彩的闪电曾使人类产生无限的遐想，创造了无数的神话故事，神秘莫测的球状闪电还成为创造科幻小说的题材。自从1752年富兰克林发现天上的闪电与电池产生的电流具有相同的性质之后，人们经过二百多年的探索，对雷电的认识不断得到深化，产生了感应起电理论、温差起电理论、大水滴破裂起电理论、冰的融化起电理论等，可是这些理论还是没有搞清形成雷电的本质，而大部分的人还认为雷电是空气摩擦产生的。

实际上雷电是由多种条件共同作用的结果，除了与物理条件有关外，还与宇宙射线、大气分子结构、地磁场等都有一定关系。大气电场是产生雷电的初始条件，当气温升高，地表受热，带有正电荷的水分子就能不断上升，由于高空寒冷，水汽就凝结为水珠或冰晶，电荷就能得到聚集，当聚集速度过快来不及释放时，就会在云、雨区产生强电场，强电场击穿空气放电，这就是形成雷电的本质。球状闪电应当是超强放电后，产生了一氧化二氮的结果。

2．1大气电场形成机理

宇宙射线（大部分来自于太阳，主要成份为质子和电子）是产生大气电场的初始条件，大气的成分及气温是产生大气电场的第二个条件。

干洁大气主要成分（容积百分比）为：N2（78.084 %）、O2（20.948 %）、其次为：Ar（0.9342 %）、CO2（0.032 %）、H2O等[4]。其中水汽在大气中变化很大，一般在1%～3%，在热带可达4%，而在两极则不到0.1%，并且绝大部分水汽集中在低层。

大气中的N2、Ar分子与宇宙射线中的质子与电子都很难结合在一起，它们都呈电、磁惰性。O2分子两端有带磁性的空轨道，它能靠磁场力吸引宇宙射线中的电子形成O2－离子，只是磁场引力相对电场力要弱，所以O2－离子的稳定性比较低。

H2O是极性分子，它没有空轨道，所以它不能接受电子，H2O分子的带负电一端能吸引宇宙线中的质子形成H3O＋离子，因为电场引力相对磁场引力要强得多，所以H3O＋离子的稳定性要比O2－离子高得多。

宇宙射线中的电子大部分被O2截留形成O2－，现在地球处在温暖期，O2－稳定性比较低，因此大部分O2－在空气对流过程中被地表的植物、建筑等物体吸收，引起大气O2－含量降低，并使地面带弱负电。

而大气底层的水汽能大量截留宇宙射线中的质子，H3O＋含量自然就高，大气正电荷就超过负电荷，这就是现在大气电场为什么总是带正电的原因！

那为什么H3O＋离子在空气的对流过程中，被带弱负电场的地面吸引下来？这是因为H3O＋（分子量18.023）离子比O2与N2（分子量分别为28.013、31.9988）分子的质量都小得多，H3O＋就受空气的浮力作用不断往上“爬”，增加正电荷的留空时间，这在晴天时能使地表面大气产生120伏/米左右的电场。当地表温度降低，H3O＋与H2O相互凝结成水珠下沉，会引起大气电场暂时性下降。

地面上空随着高度的上升，气温不断的下降，水汽含量自然也下降，H3O＋离子含量也跟随着下降。这就是进入高空后，大气电场为什么很快降低的原因！像10公里高空处的电场值仅为地面的3%即约4伏/米。

因此大气带正电，地壳带负电的本质，不是内范艾伦辐射带带正电，引起大气带正电，也不是闪电的反向充电形成的（闪电只将雷云中的正电荷引向地壳，而不是将地壳的正电荷引向雷雨云），而是大气中H2O分子截流了宇宙射线中的质子形成了H3O＋离子的结果。

晴天大气电场还与纬度，时间，陆、海面，冬、夏季等有关，这主要是水气含量高低与H3O＋离子的上升与下降引起的，与宇宙射线的强度、空气流动速度也有一定关系。

当然地面大气中还会产生带正、负电荷的重离子，因为重离子不容易升入高空，因此重离子对雷电的产生贡献不太大。

2．2 雷电的形成机理

当天气变热，地表面受热温度升高，并且初始风速也很小，有些地方水汽含量就会增加得快一些，引起大气密度降低、气流上升，同时周围的热空气不断填补到上升气流的下部。因为H2O与H3O＋比O2－、O2与N2质量都小得多，所以H2O与H3O＋比O2－、O2与N2的上升的速度都要快。

当潮湿的热空气进入高空后，由于对流层中、上部气温很低（6km高度时可达－8℃左右），H2O 与H3O＋就会凝结为水滴以至冰晶，同时H3O＋得到富集，雨云聚集区产生正电场，相对重的O2－就会被留在云层中下部使云层带负电，这就是打雷前上部云层为什么总是带正电，下部云层总是带负电的道理（见图2 ）！当富集速度过快来不及释放电荷时，就会在云层上中部形成正强电场，下中部形成中等负电场。

云层与云层之间的接触放电：

当云层之间电势不大并且相互接近时，会在云层之间进行接触放电。云层与云层之间接触放电，是H3O＋与O2－的直接中和反应，反应接触面积很大，反应产生的能量容易释放，所以云层与云层之间接触放电通常只看到发光而听不到爆炸声。

云层与云层之间的远距离放电或云层与地面之间的远距离放电：

上云层的正电荷与下云层的负电荷之间的远距离放电，或上云层的正电荷与地面之间的远距离放电，因为电势强大而激发出电流通道，因电流通道相对较小，所以这种放电是爆炸性的。

空气中O2、H2O、N2等都是电中性分子，击穿场强很高，并且初始电离能分别达到12.2ev、12.5ev、15.8ev[2]左右，雷云中的电场没有办法使它们电离。H3O＋离子电离出质子只要很低的能量，所以只有大气中H3O＋离子里的质子参与导电，因H3O＋离子只占下部空气成份很小的一部分，先导电流就比较少，产生光柱也就比较暗淡，同时雷云下部，O2－离子的含量要比H3O＋离子多，当先导电流行进过程中正电荷不断被O2－离子中和掉，质子数量就会降下来，先导电流就不能前进，放电前端正电荷需要一定时间才能得到补充，所以放电看起来是一节一节地伸向地面的（速度为每秒150km左右[3]），这就是所谓的“梯级先导”，当“先导”离地面5～50米左右时，地面被强电场激发，引发

、N2、H2O等分

电子向上回击，引起O

子相继被电离，这时通道里流动得最快

的是电子，因电子的质量只有质子的

1836分之1，所以回击的速度变得非常

快，可达5万公里每秒。在很短的时间

内，强电场击穿空气后，引起多次强放

电——即打雷。打雷后产生的高温等离

子体，加快了水汽的快速上升，引起雷

雨越下越大，直到水汽含量降低、地面

冷却才减弱（龙卷风内放电机理与雷电

形成是相同的）。

如果潮湿的气流由西向东运动，那

么受地磁场的切割作用，正电荷就加快

向上移动加速雷电的产生，这就是西北

风时容易打雷，东南风不容易打雷。但初始风速必须很小，否则不易大量聚集带正电的水汽。