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「生活觀察指南」專欄
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如今，我們的生活無時無刻都離不開電。你可能知道我們日常所用的電能大部份來源於發電廠，但你知道嗎？我們頭頂的藍天也儲存著巨量的電能，電閃雷鳴之際，我們總能感受到這股能量所帶來的震撼。
自古以來，人們便對雷電充滿敬畏。在世界各地的神話中，都存在執掌雷電的神明形象，例如中國古代神話裏，雷公和電母掌管著天地間的雷電之力，以懲罰罪惡之人。
天上的閃電和家用的電一樣嗎？
1752年，富蘭庫林做了著名的風箏實驗，破解了閃電的秘密。富蘭庫林制作了一只特殊的風箏，風箏上固定了一段金屬絲，一條長長的繩子與金屬絲相連，作為風箏線，繩子下端還掛了一把鑰匙。在一個雷雨交加的日子，富蘭庫林和他兒子將這只風箏放上了空中。
此時一道閃電劃過，風箏線上的纖維絲一瞬間豎立起來，富蘭庫林高興極了，他小心用手觸碰了鑰匙，劈裏啪啦的電火花立刻在他的手指和鑰匙之間跳動起來。
隨後，他又將風箏線上的電引入萊頓瓶中，趕忙回家進行了各種電學研究，最終揭示了天上的閃電和家用的電其實是一樣的，
雷電只不過是強度特別大的電火花放電而已。
富蘭庫林正在進行著名的風箏實驗
隨後，科學家們發現地球自身攜帶著大量的負電荷，而從地面到約50km高度的游離層中分布著等量的正電荷，從而形成了垂直向下的大氣電場。
在晴朗開闊的曠野上，從地面垂直向上，每升高1公尺，電勢將增加約130伏，也就是說大氣電場的場強大小約為130V/m。這樣看來，
一個站在室外的成年人，從頭頂到腳底之間竟然有著接近200伏的電壓！
為什麽平時走在路上沒有感到觸電呢？
首先，人會觸電的原因是有超過人體感知的電流經過人體，人體是一個導體，假如意外觸碰到了220伏的家用電，就會被當作一個電路元件接入回路，造成觸電事故。
在晴天的大氣電場中，空氣的導電效能很差，人體始終處於靜電平衡狀態，也就是從頭頂到腳底的電壓實際上接近於零，身體內幾乎沒有電流透過，因此就感覺不到觸電了。
但是，如果不幸被雷電所擊中，瞬間的大量電流透過人體，就會造成極大的傷害。
科學家們還發現，地面與游離層之間有約1800A的地空電流，源源不斷地將正電荷輸送到地球，理論上約5分鐘後就會將游離層的電能消耗完畢，而大氣電場也會消失。
但實際上，晴天大氣電場的值是相當穩定的，這就意味著
有特定的「電源」在給游離層充電
。這個特定的「電源」到底是什麽？
閃電其實就是給游離層充電的電源。
全球平均每秒產生約100次閃電，雷電流把負電荷從上而下帶給地球，從而達到了地球與游離層之間充放電的動態平衡。
傳統的全球大氣電路模型
我們能利用閃電嗎？
既然閃電和日常的電是一回事，每秒全球都有百余次閃電發生，如此多的閃電，如果能收集起來並將其轉化為電力，為人所用，那該有多好！
閃電的分類
以閃電發生的位置劃分，通常分為雲閃和地閃兩類。
擊中地面的閃電稱為地閃，約占全部閃電的
1/3
，而發生在雲中的閃電，也就是沒有擊中地面的閃電稱為雲閃，約占全部閃電的
2/3
。
對於地閃，如果
按照中和電荷的極性劃分
，將雲中的負電荷轉輸送地面的閃電稱為負地閃，其電流方向向上，約占全部地閃的
90%
，而將雲中的正電荷輸送到地面的閃電稱為正地閃，其電流方向向下，僅約占全部地閃的
10%
。
按照閃電的始發位置
的劃分，從地面始發向上發展的稱為
上行閃電
，上行地閃一般較少見，而從雲中向下發展的稱為
下行閃電
。因此，
地閃總共可以分為下行負地閃、下行正地閃、上行正地閃、上行負地閃四種，而最常見的為下行負地閃。
四種型別的地閃
閃電是如何形成的？
閃電一般產生於
對流發展旺盛的積雨雲
中，積雨雲中的霰粒和冰晶等粒子發生碰撞，使雲中不斷分離出正、負電荷，積累到一定程度時，就會擊穿空氣，閃電過程由此開始。
此時，同一擊穿點會派出兩支「先遣部隊」沿相反的方向同時延展通道，一支「先遣部隊」帶正電荷朝著雲內負電荷區前進，另一支「先遣部隊」帶負電荷朝著雲內的正電荷區前進，直到打通整個閃電通道。
每支「先遣部隊」我們稱為「先導」，而這種兩支「先遣部隊」攜帶相反電荷、同時延展則稱為「雙向先導」。
以下行負地閃為例，一小團負電荷作為「先遣部隊」在電場的指引下，沿著電阻最小路徑從雲中向地面進發，肩負著打通雲地閃電通道的使命。在其經過的路徑上，空氣被游離，形成游離通道，導電能力也大大增強。
不過，這支「先遣部隊」也會疲倦，
每走1微秒大概幾十米的距離便會停下約50微秒進行能量補給，之後繼續前進探路。
這一過程就像下台階一樣，所以「先遣部隊」稱為梯級先導。
有時「先遣部隊」也會兵分多路，這就形成了閃電的分支形狀。
當「先遣部隊」到達地面以上幾十米至上百米距離時，會有一個或多個「接應部隊」從地面出發向來迎接，稱為連線先導。當「先遣部隊」與「接應部隊」勝利會師之時，雲地之間的閃電通道徹底被打通，
地面向著這條剛剛被打通的通道猛烈的釋放大量的正電荷，這個過程叫做回擊。
回擊峰值電流強度高達數萬安培，回擊能量的迅速釋放將加熱原先的先導通道，溫度在瞬間達到30000K，由此產生的高溫高壓使通道迅速擴張，並產生沖擊波，就形成了雷聲。
一次先導和回擊的過程構成
閃電的一次脈沖
放電
。一般閃電是由多次脈沖放電構成。在第一次脈沖放電之後，經過短暫休息，又會發生第二次放電過程。第二個放電過程也是從先導開始，到回擊結束。
由於經第一次放電過程後，閃電通道已經建立通暢，所以第二次的先導就不再逐級向下探路，而是從雲中直接到達地面。這種先導叫做
箭式先導或直竄先導
。而由直竄先導引導的回擊稱為
。
負地閃發展示意圖
閃電的威力來自它巨大的電流，峰值電流強度可達幾萬安培，但是
持續時間極短，僅有數十微秒。
據估算，從一道閃電中大約可獲取約200-300度電，能夠供一個普通家庭使用一個月。而每年全球發生14億次閃電，而
雲閃自然是無法收集的
，理論上可以收集的4億次地閃所能提供的總電能在1000億度左右。據統計，2023年全球發電總量在30萬億度，
閃電所能提供的電能僅能供全球使用9天
，這麽看，閃電的電能也只是九牛一毛。
此外，我們還無法準確預測雷擊位置，因此難以做到捕捉自然閃電，而且將閃電的數百萬伏高壓電降壓至220伏並入電網也是一項極為艱巨的任務，以現在的技術也無法實作。所以，想要捕獲閃電提供電能服務人類，也只是天方夜譚。
閃電的益處
雖然目前我們無法捕獲閃電，不過閃電在自然界中有非常大的作用。雷電發生時，
空氣中氮氣和氧氣被完全游離、化合形成氮氧化物，並溶解在雨水中降落至地面，成為天然氮肥。
雷電制造的高濃度負氧離子，可以起到消毒殺菌、凈化空氣的作用，讓人感覺心曠神怡。此外，雷電還能促進生物生長。
至今，雷電仍有許多未解之謎等待我們去探索，而科學家們對雷電的研究也從未停止。
