閃電的別樣打開方式

前幾天，北京上演了電閃雷鳴般的科幻大片，一邊是漫畫般的晚霞，一邊是黑雲壓城般的烏雲，科幻感十足。閃電擁有着大自然的神秘力量，在我國古代也一直以“雷公電母”的形象存在於神話傳說中，直到18世紀富蘭克林用風箏實驗揭示了閃電的真正面目，才證明閃電並不是天神作法，而是帶電雲層相遇所產生的一种放電現象。

Part.1

閃電

富蘭克林風箏實驗

閃電現在一般多指對流層大氣放電，是靜電放電的一種。簡單來說就是天空中的某一塊雲層與另一塊雲層或者大地，由於所帶電荷相反而產生的瞬間放電的現象，我們也把這種達到對流層頂高度且能產生閃電的積雨雲稱為雷暴雲。

雷暴雲帶電的原因目前佔主導地位的是“非感應起電”。具體來說就是大氣對流的不穩定和能量的劇烈變動使雷暴雲內部含有大量的冰晶、軟雹、過冷水等不同的水成物粒子，這些粒子出現增長、碰撞、合併、分離等過程，使雷暴雲內形成了攜帶不同電荷的電荷層。

雷暴雲電荷分佈

當雷暴雲中的電荷分離達到一定程度，導致雲內的電場積累增強時，最終就會使空氣擊穿並進一步形成閃電。閃電一般伴隨着雷聲，當閃電發生的時候，巨大的電流能加熱空氣，使空氣體積急劇膨脹，從而產生衝擊波，導致強烈的雷鳴。

地閃

雲閃

閃電可以發生在同一塊雲的不同部位之間，也可以發生在雲與雲之間、雲和地之間。發生在雲和地之間的閃電稱為雲-地閃電。由於雲-地閃電與我們人類的活動和生命安全密切相關，所以對它開展的研究也最多。

Part.2

人工引雷

一般情況下，我們用肉眼看到的閃電都是奇形怪狀、蜿蜒曲折的，很少看到直線條的閃電。這是因為閃電在放電過程中，電流流動時，首先會選擇更容易通過電流的地方，但空氣中存在不同的導電氣態分子，而且空氣的溫度和濕度也不同，所以當電流經過的時候，在不斷選擇更容易導電物質的過程中就會出現彎曲的現象。

蜿蜒曲折的閃電

而將一根導線拉直，裡面通上電流，那麼電流在直線中經過就會出現直線的閃電。所以，人工引來的閃電是筆直，引雷時由一架小火箭拖曳金屬導線快速升空，火箭升空后這條金屬導線就被拉直，這樣雷電產生后就會沿着筆直的金屬導線“一路向下”。

人工火箭引雷簡略圖，改自b站快樂小黃豆視頻

當引雷試驗場上方有雷暴雲經過時，選取合適的條件向上發射尾部拖曳金屬導線的引雷火箭，快速上升的火箭會促使放電通道起始並向上發展入雲，最終形成雲和地之間強烈的放電現象。所以我們看到的畫面中，空中一端的雷電呈彎曲形狀，只是延伸到地面這段是呈直線狀。

中科院大氣所進行人工引雷實驗

再談談為什麼要進行人工引雷？自然界閃電的發生充滿了瞬時性和隨機性，轉瞬即逝難以捕捉，很難開展直接探測；我們也無法模擬真實幾億伏起步的閃電，導致我們對自然界閃電了解難上加難。

而人工引雷觸發閃電的過程，和自然閃電的過程是十分相似的，所以能提供最接近真實的自然雷電模擬源。人工引雷實驗可以使閃電的發生在時間和空間上有一定的可預知性和可控制性，便於集合多種手段同步觀測。人工引雷可以為認識閃電發生髮展的物理本質提供條件，為雷電定位系統提供標定源，並進行真實條件下雷擊防護測試。

Part.3

向上的“閃電”

如果我們從太空中看雲層，還會看到很多地球高層大氣中的特殊放電現象。因為這些現象的出現具有短暫性和神秘性，他們的名字也都十分夢幻可愛，比如“紅色精靈”、“淘氣精靈”。

但他們體型巨大，足以在大氣層中延綿數十公里。

太空視角的紅色精靈

紅色精靈（red sprite）是在雷暴上空中高層大氣中出現的一種空氣介質擊穿現象。在距地表五六十公里的高度上氣壓很低，空氣非常稀薄，在這種低氣壓條件下，強烈的閃電產生的電場擾動容易導致空氣介質的電擊穿。相對普通閃電來說，紅色精靈是出現在中高層大氣中的放電現象，是強度很大的普通閃電在雷暴上空的廣闊空間引起的進一步放電。

貴陽天空出現的紅色精靈

紅色精靈上半部是紅色，底部則漸漸轉變為藍色，通常發出巨大但微弱的閃光，但只能持續幾到幾十毫秒，如鬼魅一般難以捉摸，也稱為“幽靈閃電”·。

中高層大氣放電現象

紅色精靈是最常見的中高層大氣放電現象，其他還有藍色噴流（blue jets）、淘氣精靈（elves）和光暈（Halo）等。但這些“精靈”都出現在濃厚雷暴雲上空的中高層空間中，因為雲層的遮擋，地面上的觀測者無法通過肉眼看到。不過國際空間站在距地球400多公里的高空運行，為觀察中高層大氣放電現象提供了完美的視角。