1樓：石油工業出版社
一、閃電的形成及特徵
閃電是雲與雲之間、雲與地之間或者雲體內各部位之間的強烈放電現象（一般發生在積雨雲中）（圖5-3）。雷暴天氣出現時，雲層內部會形成電場，正電荷湧向雲層頂端，負電荷則填塞了底部。同時還在地面產生正電荷，如影隨形地跟著雲移動。
正電荷和負電荷彼此相吸，但空氣卻不是良好的傳導體。正電荷奔向樹木、山丘、高大建築物的頂端甚至人體之上，企圖和帶有負電的雲層相遇；負電荷枝狀的觸角則向下伸展，越向下伸越接近地面。最後正負電荷終於克服空氣的阻障而連線上，巨大的電流沿著一條傳導氣道從地面直向雲湧去，一股強大的電流會將空氣分子加熱到數萬攝氏度，隨之，伴有強烈閃光的閃電即告形成（蘇中啟，1994）。
圖5-3 閃電
一道閃電的長度可能只有數百米（最短的為100m），但最長可達數千米。閃電的溫度，從17000℃至28000℃不等，也就是等於太陽表面溫度的3～5倍。閃電的極度高熱使沿途空氣劇烈膨脹。
空氣移動迅速，因此形成波浪併發出聲音。
一般農夫隻身在空曠地下田，就具有尖端放電的效果（避雷針就是運用此原理，並且做到接地的功能），很容易成為雷電擊中的目標。閃電破壞力很大，若擊中人體，身上的水分會瞬間蒸發，並可擾亂人的心跳而置人於死地，也會使人燒焦，稱為雷擊死亡。就算因為身上金屬飾品的誘導而沒有被正面擊中，也可以把電力透過地面傳送到人體，死亡率為10%～30%。
若在森林發生，有可能造成森林大火。若在沒有保護措施的情況下，電器用品被擊中時可能會發生**或是跳電等情形。飛機雖然因為金屬外皮的導電性，可免於電流流入內部，但若過於強大會有可能影響儀器的使用而導致問題發生。
閃電擦過絕緣體或高電阻物品時，會產生熱效應，形成大量熱，燃燒該物品。
二、閃電形成的物理原理及型別
（一）閃電形成的物理原理
地球表面實際上是帶負電的（在通常情況下，整個地球表面帶的負電量為4.5×105c，c是電量單位，讀作庫侖），雲層底部帶有的負電量遠遠超過地球表面攜帶的負電量，也就是說，雲層底部的電勢遠比地面電勢要低，於是雲層與地表之間存在一個由地表指向雲層的電場e。而在一個大氣壓下，空氣的介電強度為3×103v/mm（介電強度是指單位厚度的絕緣材料在擊穿之前能夠承受的最高電壓），如果積雨雲與地面之間這個電場的強度超過3×103v/mm時，就會產生閃電現象（金仲輝，2012）。
值得指出的是，實際上雲層與地面之間的平均電場強度很難達到3×103v/mm，而只是在某些區域性地方的電場強度可以達到這個值，從而引發放電。同理，如果雲層之間或同一雲層兩端間存在強大的電勢差也能發生閃電（圖5-4）。
圖5-4 閃電的形成原理圖
閃電是大氣中脈衝式的放電現象。一次閃電由多次放電脈衝組成。一次電閃，歷時半秒鐘左右，一次閃電中包含幾個大電流脈衝過程稱為閃擊，每次閃擊歷時約1毫秒，各次閃擊間隔幾十毫秒（莊洪春，2002）。
脈衝一個接著一個，後面的脈衝就沿著第一個脈衝的通道行進。每一個放電脈衝都由一個先導和一個回擊構成。第一個放電脈衝在爆發之前，有一個準備階段——階梯先導放電過程：
在強電場的推動下，雲中的自由電荷很快地向地面移動。在運動過程中，電子與空氣分子發生碰撞，致使空氣輕度電離併發出微光。第一次放電脈衝的先導是逐級向下傳播的，像一條發光的舌頭。
開頭，這光舌只有十幾米長，經過千分之幾秒甚至更短的時間，光舌便消失；然後就在這同一條通道上，又出現一條較長的光舌（約30m長），轉瞬之間它又消失；接著再出現更長的光舌……光舌採取“蠶食”方式步步向地面逼近。經過多次放電—消失的過程之後，光舌終於到達地面。因為這第一個放電脈衝的先導是一個階梯一個階梯地從雲中向地面傳播的，所以稱作“階梯先導”。
在光舌行進的通道上，空氣已被強烈地電離，它的導電能力大為增加。空氣連續電離的過程只發生在一條很狹窄的通道中，所以電流強度很大。
當第一個先導即階梯先導到達地面後，立即從地面經過已經高度電離了的空氣通道向雲中流去大量的電荷。這股電流是如此之強，以至空氣通道被燒得白熾耀眼，出現一條彎彎曲曲的細長光柱。這個階段稱作“回擊”階段，也稱“主放電”階段。
階梯先導加上第一次回擊，就構成了第一次脈衝放電的全過程，其持續時間只有百分之一秒。
第一次脈衝放電過程結束之後，只隔一段極其短暫的時間（百分之四秒），又發生第二次脈衝放電過程。第二個脈衝也是從先導開始，到回擊結束。但由於經第一次脈衝放電後，“堅冰已經打破，航線已經開通”，所以第二個脈衝的先導就不再逐級向下，而是從雲中直接到達地面，這種先導稱為“直竄先導”。
直竄先導到達地面後，約經過千分之幾秒的時間，就發生第二次回擊，而結束第二次脈衝放電過程。緊接著再發生第三個、第四個……完成多次脈衝放電過程。由於每一次脈衝放電都要大量地消耗雷雨雲中累積的電荷，因而以後的主放電過程就越來越弱，直到雷雨雲中的電荷儲備消耗殆盡，脈衝放電方能停止，從而結束一次閃電過程。
（二）雲中電荷分離的成因
雲中電荷分離的現象至目前為止還是研究中的課題，有很多假說被提出來試**釋這一現象發生的原因。
（1）靜電感應假說：根據靜電感應假說，至今仍未充分了解電荷的分離過程，不過似乎總要有很強的上升氣流將小水滴抬升，使它們產生過冷至-10～-20℃。這些過冷的小水珠會和冰晶相碰撞產生柔軟的冰水混合物——軟雹（graupel），這些碰撞會使冰晶帶有正電、軟雹帶有負電。
此時上升氣流會繼續將較輕的冰晶（帶正電）抬升，軟雹則因較重而落至雲的中下層，進而造成雲層上半部帶正電、下半部帶負電的電荷分離現象。此電荷分離過程使雲間的電位差不斷增加，直到足以釋放而形成閃電。
（2）極化假說：極化機制有兩種方式，一種認為掉落中的冰晶和小水珠通過地球的環境電場（earth′s natural electric field）會產生電極化的現象；另一種認為碰撞中的冰粒會因靜電感應而帶電。
（三）閃電的型別
按閃電在空氣中發生的部位，大概可分為雲中、雲間或雲地之間三大種類放電。雲中放電佔閃電的絕大多數，雲地之間放電則是對人類的生產和生活產生影響的主要形式。
1．雲中放電
在0℃層以上，即空氣溫度下降到冰點的高度以上，雲內的液態水變成冰晶和過冷卻水滴（達0℃卻來不及凝結就落下的水滴）。由於空氣的密度不同，造成了空氣對流，在這些水滴或冰晶摩擦碰撞的過程中產生電荷。如雲內出現兩個足夠強的相反電位，帶正電的區域就會向帶負電的區域放電，結果就產生了雲內閃電（in-cloud lightning）或雲間閃電（cloud-to-cloud lightning）。
風暴內八成的放電過程屬於這種型別。
2．雲間放電
雲間放電是一種很少發生的閃電，它在兩個或更多完全分離的積雨雲中放電。
3．雲地之間放電
雲地之間放電是最廣為研究的型別，主要是因為它對人們的生命財產有極大的威脅性。雷電擊又分為負雷電擊（negative stroke）及正雷電擊（positive stroke）。正雷電擊的發生概率比負雷電擊小，但攜帶的電量會比負雷電擊大，曾測量到的最大值為300c。
正雷電擊通常只有一擊，有第二擊的正雷電擊相當少見（因為雲層內靠近地面的正電荷較少）。
三、閃電的利用
（一）利用閃電固氮
閃電時，可以使大氣中的氧氣化學鍵發生改變，生成極少量的臭氧；可以讓氧氣和氮氣化合生成一氧化氮，這是天然固氮的一種重要形式。因而有人想到利用閃電進行固氮。但是有效使用的少之又少。
利用閃電的能量有一個困難，就是閃電不能按人們的希望在一定的時刻發生。換句話說，就是閃電不易控制。另外，雖然閃電是最常見的自然現象，但是據統計，每年在每平方千米面積上平均只有一兩次閃電。
雷雨雲單體的尺度從1km至10km，所以各次閃電都隔著很大的距離。有人測量並統計過，在強雷雨時閃電之間的平均距離是2.4km，在弱雷雨時閃電之間的平均距離是3.
7km。如果豎立一根很高的鐵桿引雷，雷擊的次數要多些，但是閃電擊中鐵桿的次數仍不很多。有人統計過，在一個雷雨季節，雷電擊中高400～800m的避雷針的次數也不過20次。
自然界的閃電火花有幾千米長，溫度很高，一定有不少氮和氧化合生成二氧化氮。閃電時生成的二氧化氮溶解在雨水裡變成濃度很低的硝酸。它一落到土壤中，馬上和其他物質化合，變成硝石。
硝石是很好的化肥。有人計算過每年每平方千米的土地上有100～1000g閃電形成化肥進入土壤。
人工閃電制肥實驗的做法有很多，這裡只舉一個例子。有人在田野裡豎立三根杆子（制肥器），一般是木杆，杆高約20m，杆距120m，杆子頂部裝有金屬接閃器，用金屬導線從接閃器一直引到地下埋入土中。建立後，曾進行了兩次雷擊實驗。
在每次雷擊後對實驗地段附近地區的雨水及土壤進行化學分析，測量其中硝酸態氮含量的增減。第一次雷擊強度較小，比較明顯的範圍半徑約15m，有效面積約1畝左右。經過土壤分析，結果是約增氮0.
94～1kg，相當於硫酸銨4.7～5kg。第二次雷雨強度較大，以實驗地點為中心50m半徑範圍內，平均每畝增加2.
7kg，相當於硫酸銨13.55kg。
（二）利用閃電發電
從純電荷角度考慮的話，每次閃電的能量平均只有50×108j，假設在傳輸和儲存過程中的損失為零，這也僅相當於不到1400kw?h的能量。
全球一年的閃電次數約為14億次，其中只有約25%是地面閃電，其他大多數是雲內或雲間的閃電，無法利用。另外，假設可以百分之百利用所有閃電，而且在捕捉、傳輸和儲存過程中沒有任何損失，那麼一年收集的電能為4900×108kw?h。
2023年，全球使用了約20×1012kw?h的電，是所有可利用的地面閃電所含電能的40多倍。這就是說，所有可以捕捉的閃電僅可供全球使用9天。
為了捕捉每次地面閃電，必須在全球範圍內建很多高塔。算下來地球表面2×108km2的面積中每平方千米就要建一個這樣的塔。
捕捉閃電電能的裝置必須能應對極大的瞬間電流。為此，需要使用很粗的導電棒以及超重型電路和超級電容器。
儘管尚未開發出這種電能儲存技術，但假設能夠做到，另外再假設能量系統是百分之百高效的（大多數電能系統在最佳狀態下也只有不到70%～80%的效率），然後我們可以設想一下每個塔和電容器的費用約為35萬英鎊。這樣一來，光地面裝置（不考慮海洋版本裝置的額外成本）的費用就高達67萬億英鎊。更不用說安裝成本、常規維護以及連線所有高塔的高壓輸電線路網的費用了。
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