[科普中國(guó)]-“平地一聲驚雷起”，你害怕的雷暴其實(shí)也是地球的功臣

大家在深夜入睡后，有沒(méi)有被雷暴天氣“炸”醒的經(jīng)歷呢？

人類自古以來(lái)對(duì)雷電（亦作閃電）的巨大威力心存敬畏。但其實(shí)，雷暴對(duì)大氣有著深遠(yuǎn)的影響和作用，可謂是，“有人歡喜有人憂”。

人類對(duì)雷電的認(rèn)識(shí)

最開始，中國(guó)古人從神話、藝術(shù)的角度對(duì)雷電添加了諸多樸素的理解，認(rèn)為其是由專司打雷和閃電的天神——“雷公電母”所造就，而西方傳說(shuō)中也有“雷神”這一角色手持巨錘擊出雷電。

直到18世紀(jì)中葉，著名的富蘭克林風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)后，人們才了解到雷電是大氣中的“放電現(xiàn)象”。實(shí)際上，雷電在大氣中由“雷暴”所孕育，它同時(shí)還伴隨著密布的烏云和疾風(fēng)驟雨。

對(duì)流旺盛的雷暴云及其產(chǎn)生的雷電（圖片來(lái)源：Roger Hill/Solent News & Photo Agency）

典型雷暴云內(nèi)的電荷分布（圖片來(lái)源：美國(guó)亞利桑那大學(xué)網(wǎng)絡(luò)課件）

什么是雷暴？它是如何形成的？

在大氣科學(xué)研究中，通常將產(chǎn)生雷電的天氣系統(tǒng)過(guò)程稱為“雷暴”，它是一種局地性強(qiáng)對(duì)流天氣，發(fā)生時(shí)可伴隨強(qiáng)風(fēng)、顯著的降水以及頻繁的雷擊（閃電）。

那么雨又是如何來(lái)的呢？大氣中的水在不同壓強(qiáng)和溫度下可呈現(xiàn)氣、液、固等相態(tài)。水汽遇冷凝結(jié)成的小水滴和冰晶，聚合浮在空中成為云，當(dāng)氣流“托”不住云，往下掉落并融化成的水滴即是雨。

眾所周知，對(duì)流層大氣的溫度隨高度遞減，在幾公里高度上即可降至冰點(diǎn)，所以，**濕熱空氣的對(duì)流抬升是形成云和雨的關(guān)鍵。**地球表面受太陽(yáng)輻射加熱不均勻、冷氣團(tuán)和暖氣團(tuán)的交匯、氣流遇地形阻擋爬升等，都可能形成對(duì)流抬升。若水汽充沛、對(duì)流旺盛，抬升形成的云可達(dá)幾到十幾公里厚，最終將降下傾盆大雨。

在高空零下十幾到幾十度的環(huán)境中，大量水成物粒子發(fā)生增長(zhǎng)、碰撞、合并、分離等過(guò)程，是雷暴云起電的根源——大氣對(duì)流的不穩(wěn)定和能量的劇烈變動(dòng)，使得雷暴系統(tǒng)內(nèi)部存在復(fù)雜的氣流運(yùn)動(dòng)，水汽凝結(jié)而成的小冰晶，隨著氣流運(yùn)動(dòng)和環(huán)境溫度的變化，將發(fā)生花樣百出的變身，形成雪晶、雪花、雹（如軟雹、小雹粒、冰雹）等等。

此外，雷暴中還存在0度以下仍未結(jié)冰的“過(guò)冷水”。在復(fù)雜的氣流中，它們之間的“摩擦”無(wú)可避免——于是，電就被“擦”了出來(lái)。

具體而言，在零下十幾到幾十度的環(huán)境中，冰、雪、雹等粒子的身姿體態(tài)和大小重量不盡相同，隨氣流運(yùn)動(dòng)的速度也就快慢有別，不同粒子間的碰撞就必然發(fā)生。

微觀上，冰、雪、雹等粒子的碰撞和彈開，會(huì)發(fā)生細(xì)小的電荷轉(zhuǎn)移，使不同粒子攜帶正、負(fù)相反的電荷；宏觀上，不同粒子因密度、重量的差別而隨氣流分層聚集。形象地說(shuō)，雷暴系統(tǒng)如同一臺(tái)巨型抽揉摩擦設(shè)備，使原本中性的云體不斷分離出正、負(fù)電荷——雷暴云被充電了！

左：云中不同形態(tài)的冰晶、雹粒子（圖片來(lái)源：華盛頓大學(xué)云和氣溶膠研究克課題組，見(jiàn)專著《Atmospheric Science-An Introductory Survey》）

右：水粒子碰撞和彈開形成電荷分離示意圖（圖片來(lái)源：Clive Saunders教授）

雷暴云在發(fā)展旺盛的過(guò)程中逐漸攜帶大量電荷，就像無(wú)處安放的憤怒，時(shí)刻等待著被釋放，那些刮破天際的一道道閃光，是不同云層之間、或云與地之間電荷瞬間釋放的橋梁。作為長(zhǎng)距離、高電壓、強(qiáng)電流的大氣放電，雷電可產(chǎn)生很寬頻段的強(qiáng)電磁輻射，覆蓋無(wú)線電波、可見(jiàn)光乃至X射線和伽馬射線頻段。雷電通道的高溫可達(dá)上萬(wàn)度，通道周圍被瞬間加熱膨脹的空氣形成沖擊波，發(fā)出轟隆隆的雷聲。

與此同時(shí)，雷暴中的上升氣流也逐漸托持不住大量的冰、雪、雹等粒子，它們掉落并融化成雨滴，于是我們便看到了“地上雨水嘩嘩啦啦，天上閃電噼噼啪啪”的景象。少數(shù)情況下，過(guò)于強(qiáng)盛的對(duì)流使雹粒生長(zhǎng)太大，掉落至地面的過(guò)程中甚至來(lái)不及融化，就是我們所見(jiàn)到的冰雹。

延伸閱讀：長(zhǎng)期以來(lái)，雷暴云的起電機(jī)制是大氣電學(xué)研究一大難題，以雷暴云內(nèi)水成物粒子的碰撞、分離為核心的“粒子荷電機(jī)制”是目前學(xué)界認(rèn)可度最高的主要起電機(jī)制，可進(jìn)一步細(xì)分為“非感應(yīng)起電機(jī)制”（如文中所述）、“感應(yīng)起電機(jī)制”（即在電場(chǎng)中被極化的不同粒子碰撞時(shí)，接觸部分發(fā)生異性電荷中和，彈開后各自攜帶凈余的正、負(fù)電荷）、“次生冰晶起電機(jī)制”等。已有觀測(cè)所揭示的雷電活動(dòng)與云內(nèi)參量的關(guān)系，多支持這類起電機(jī)制在雷暴起電中的主導(dǎo)作用。

此外，學(xué)界對(duì)雷暴起電還提出過(guò)其他假說(shuō)，例如粒子的破碎、凍結(jié)、融化起電機(jī)制，以及與晴天大氣電場(chǎng)中自由電荷有關(guān)的離子擴(kuò)散、離子捕獲機(jī)制等。

雷暴天氣很“暴躁”，但也有“溫柔”的一面

可能你會(huì)覺(jué)得，云、雨、電的愛(ài)恨糾結(jié)，在雷電發(fā)生的那一刻就已塵埃落定。但不為人熟知的是，雷電對(duì)大氣還有更影響深遠(yuǎn)的物理和化學(xué)作用。

就全球大氣而言，在天氣晴的時(shí)候，電離層會(huì)往地球不斷釋放大氣電流，持續(xù)消耗電離層的“電能”，而雷暴和雷電則是維持電離層電位的重要“發(fā)電機(jī)”，它們通過(guò)雷暴云起電（直流）和雷電（交流）給電離層充電。

對(duì)流層雷電還能在幾十到上百公里高度的中層大氣激發(fā)“紅色精靈”等放電事件。**中層大氣放電事件，是由對(duì)流層雷電所引發(fā)的一種瞬態(tài)發(fā)光現(xiàn)象，**一般發(fā)生于40-90 km高空，具有紅色精靈（Red Sprite）、藍(lán)色噴流（Blue Jet）、巨大噴流（gigantic get）、淘氣精靈（Elves）、光暈（Halo）等多種形式。

紅色精靈是最常見(jiàn)的中層大氣放電事件，通常由強(qiáng)度較大的正極性云對(duì)地閃電所誘發(fā)。對(duì)流層雷電引發(fā)的放電能改變這些區(qū)域的溫度、電子密度等物理狀態(tài)，并可能威脅在該區(qū)域的臨近空間飛行器、浮艇等。與此同時(shí)，**雷暴還是上部對(duì)流層大氣的“制冷空調(diào)”，**并輸送水汽產(chǎn)生明顯的加濕作用。

此外，雷電擊穿空氣的過(guò)程中，高溫高壓下氮?dú)夂脱鯕獗煌耆婋x，并進(jìn)一步形成氮氧化物L(fēng)NOx，這種氧化物是大地農(nóng)作物兩好的“肥料物質(zhì)”。**所以，雷雨在灌溉大地的同時(shí)，還起到“施肥”的作用呢！**而留在大氣中的氮氧化物，則作為全球氮循環(huán)的一部分，對(duì)氣候變化產(chǎn)生影響。

雷暴、雷電作為全球大氣電路發(fā)電機(jī)示意圖（圖片來(lái)源：Colin Price教授講義《The Global Atmospheric Electric Circuit》，）

發(fā)生于對(duì)流層的雷電激發(fā)中層大氣放電示意圖（圖片來(lái)源：Pasko, V. P., 2003, Atmos. physics: Electric jets, Nature, 423(6943), 927–929, doi:10.1038/423927a）

隨著研究的推進(jìn)，人們對(duì)云、雨、電在雷暴云中交織的眾多科學(xué)問(wèn)題，正在逐步獲得較為透徹的理解和認(rèn)識(shí)，將雷電活動(dòng)與雷暴天氣系統(tǒng)不同參量之間的定量關(guān)系（包括動(dòng)力學(xué)參量，如水平、垂直方向上的風(fēng)向、風(fēng)速及其變化；微物理參量，如冰、雪、雹、過(guò)冷水、雨滴等的生消演變和分布狀態(tài)；降水量等），應(yīng)用于數(shù)值模式中，既可以對(duì)強(qiáng)對(duì)流、雷暴天氣進(jìn)行預(yù)警，也可以對(duì)雷電的發(fā)生潛勢(shì)等進(jìn)行預(yù)報(bào)，從而提高對(duì)雷暴災(zāi)害天氣的防御能力。

**“一切事物都有兩面性”，**這點(diǎn)在“雷暴”身上，體現(xiàn)得很明顯呢！

參考資料：

1. 郄秀書, 張其林, 袁鐵, 張廷龍 (2013), 雷電物理學(xué), 科學(xué)出版社, 北京.

2. Rakov, V. A., & Uman, M. A. (2003). Lightning: Physics and Effects. Cambridge University Press.

3. Williams, E. R. (2001), "The electrification of severe storms." Severe Convective Storms. American Meteorological Society, Boston, MA.

4. Pasko, V. P. (2003), Atmos. physics: Electric jets, Nature, 423(6943), 927–929, doi:10.1038/423927a.

5. 美國(guó)國(guó)家宇航局NASA網(wǎng)站資料：《The Hidden Life of Thunderstorms》

6. 講義《The Global Atmospheric Electric Circuit》by Colin Price.