你可能知道我们日常所用的电能大部分来源于发电厂，但你知道吗？我们头顶的蓝天也存储着巨量的电能，电闪雷鸣之际，我们总能感受到这股能量所带来的震撼。
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自古以来，人们便对雷电充满敬畏。在世界各地的神话中，都存在执掌雷电的神明形象，例如中国古代神话里，雷公和电母掌管着天地间的雷电之力，以惩罚罪恶之人。
天上的闪电和家用的电一样吗？
1752 年，富兰克林做了著名的风筝实验，破解了闪电的秘密。富兰克林制作了一只特殊的风筝，风筝上固定了一段金属丝，一条长长的绳子与金属丝相连，作为风筝线，绳子下端还挂了一把钥匙。在一个雷雨交加的日子，富兰克林和他儿子将这只风筝放上了空中。
此时一道闪电划过，风筝线上的纤维丝一瞬间竖立起来，富兰克林高兴极了，他小心用手触碰了钥匙，噼里啪啦的电火花立刻在他的手指和钥匙之间跳动起来。
随后，他又将风筝线上的电引入莱顿瓶中，赶忙回家进行了各种电学研究，最终揭示了天上的闪电和家用的电其实是一样的，雷电只不过是强度特别大的电火花放电而已。
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随后，科学家们发现地球自身携带着大量的负电荷，而从地面到约 50km 高度的电离层中分布着等量的正电荷，从而形成了垂直向下的大气电场。
在晴朗开阔的旷野上，从地面垂直向上，每升高 1 米，电势将增加约 130 伏，也就是说大气电场的场强大小约为 130V/m。这样看来，一个站在室外的成年人，从头顶到脚底之间竟然有着接近 200 伏的电压！
为什么平时走在路上
没有感到触电呢？
首先，人会触电的原因是有超过人体感知的电流经过人体，人体是一个导体，假如意外触碰到了 220 伏的家用电，就会被当作一个电路元件接入回路，造成触电事故。
在晴天的大气电场中，空气的导电性能很差，人体始终处于静电平衡状态，也就是从头顶到脚底的电压实际上接近于零，身体内几乎没有电流通过，因此就感觉不到触电了。
但是，如果不幸被雷电所击中，瞬间的大量电流通过人体，就会造成极大的伤害。
科学家们还发现，地面与电离层之间有约 1800A 的地空电流，源源不断地将正电荷输送到地球，理论上约 5 分钟后就会将电离层的电能消耗完毕，而大气电场也会消失。
但实际上，晴天大气电场的值是相当稳定的，这就意味着有特定的“电源”在给电离层充电。这个特定的“电源”到底是什么？
闪电其实就是给电离层充电的电源。全球平均每秒产生约 100 次闪电，雷电流把负电荷从上而下带给地球，从而达到了地球与电离层之间充放电的动态平衡。
传统的全球大气电路模型
我们能利用闪电吗？
既然闪电和日常的电是一回事，每秒全球都有百余次闪电发生，如此多的闪电，如果能收集起来并将其转化为电力，为人所用，那该有多好！
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闪电的分类
以闪电发生的位置划分，通常分为云闪和地闪两类。击中地面的闪电称为地闪，约占全部闪电的 1/3，而发生在云中的闪电，也就是没有击中地面的闪电称为云闪，约占全部闪电的 2/3。
对于地闪，如果按照中和电荷的极性划分，将云中的负电荷转输送地面的闪电称为负地闪，其电流方向向上，约占全部地闪的 90%，而将云中的正电荷输送到地面的闪电称为正地闪，其电流方向向下，仅约占全部地闪的 10%。
按照闪电的始发位置的划分，从地面始发向上发展的称为上行闪电，上行地闪一般较少见，而从云中向下发展的称为下行闪电。因此，地闪总共可以分为下行负地闪、下行正地闪、上行正地闪、上行负地闪四种，而最常见的为下行负地闪。
四种类型的地闪
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闪电是如何形成的？
闪电一般产生于对流发展旺盛的积雨云中，积雨云中的霰粒和冰晶等粒子发生碰撞，使云中不断分离出正、负电荷，积累到一定程度时，就会击穿空气，闪电过程由此开始。
此时，同一击穿点会派出两支“先遣部队”沿相反的方向同时延展通道，一支“先遣部队”带正电荷朝着云内负电荷区前进，另一支“先遣部队”带负电荷朝着云内的正电荷区前进，直到打通整个闪电通道。
每支“先遣部队”我们称为“先导”，而这种两支“先遣部队”携带相反电荷、同时延展则称为“双向先导”。
以下行负地闪为例，一小团负电荷作为“先遣部队”在电场的指引下，沿着电阻最小路径从云中向地面进发，肩负着打通云地闪电通道的使命。在其经过的路径上，空气被电离，形成电离通道，导电能力也大大增强。
不过，这支“先遣部队”也会疲倦，每走 1 微秒大概几十米的距离便会停下约 50 微秒进行能量补给，之后继续前进探路。这一过程就像下台阶一样，所以“先遣部队”称为梯级先导。有时“先遣部队”也会兵分多路，这就形成了闪电的分支形状。
当“先遣部队”到达地面以上几十米至上百米距离时，会有一个或多个“接应部队”从地面出发向来迎接，称为连接先导。当“先遣部队”与“接应部队”胜利会师之时，云地之间的闪电通道彻底被打通，地面向着这条刚刚被打通的通道猛烈地释放大量的正电荷，这个过程叫作回击。
回击峰值电流强度高达数万安培，回击能量的迅速释放将加热原先的先导通道，温度在瞬间达到 30000K，由此产生的高温高压使通道迅速扩张，并产生冲击波，就形成了雷声。
一次先导和回击的过程构成闪电的一次脉冲放电。一般闪电是由多次脉冲放电构成。在第一次脉冲放电之后，经过短暂休息，又会发生第二次放电过程。第二个放电过程也是从先导开始，到回击结束。
由于经第一次放电过程后，闪电通道已经建立通畅，所以第二次的先导就不再逐级向下探路，而是从云中直接到达地面。这种先导叫作箭式先导或直窜先导。而由直窜先导引导的回击称为继后回击。
负地闪发展示意图
闪电的威力来自它巨大的电流，峰值电流强度可达几万安培，但是持续时间极短，仅有数十微秒。
据估算，从一道闪电中大约可获取约 200~300 度电，能够供一个普通家庭使用一个月。而每年全球发生 14 亿次闪电，而云闪自然是无法收集的，理论上可以收集的 4 亿次地闪所能提供的总电能在 1000 亿度左右。据统计，2023 年全球发电总量在 30 万亿度，闪电所能提供的电能仅能供全球使用 9 天，这么看，闪电的电能也只是九牛一毛。
此外，我们还无法准确预测雷击位置，因此难以做到捕捉自然闪电，而且将闪电的数百万伏高压电降压至 220 伏并入电网也是一项极为艰巨的任务，以现在的技术也无法实现。所以，想要捕获闪电提供电能服务人类，也只是天方夜谭。
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闪电的益处
虽然目前我们无法捕获闪电，不过闪电在自然界中有非常大的作用。雷电发生时，空气中氮气和氧气被完全电离、化合形成氮氧化物，并溶解在雨水中降落至地面，成为天然氮肥。雷电制造的高浓度负氧离子，可以起到消毒杀菌、净化空气的作用，让人感觉心旷神怡。此外，雷电还能促进生物生长。
至今，雷电仍有许多未解之谜等待我们去探索，而科学家们对雷电的研究也从未停止。
转自丨蝌蚪五线谱
来源： 科普进行时
