「本文来源：中国科普博览」

出品：科普中国

制作：蒋如斌（中国科学院大气物理研究所）

监制：中国科学院计算机网络信息中心

大家在深夜入睡后，有没有被雷暴天气“炸”醒的经历呢？

人类自古以来对雷电（亦作闪电）的巨大威力心存敬畏。但其实，雷暴对大气有着深远的影响和作用，可谓是，“有人欢喜有人忧”。

人类对雷电的认识

最开始，中国古人从神话、艺术的角度对雷电添加了诸多朴素的理解，认为其是由专司打雷和闪电的天神——“雷公电母”所造就，而西方传说中也有“雷神”这一角色手持巨锤击出雷电。

直到18世纪中叶， 的富兰克林风筝实验后，人们才了解到雷电是大气中的“放电现象”。实际上，雷电在大气中由“雷暴”所孕育，它同时还伴随着密布的乌云和疾风骤雨。

△对流旺盛的雷暴云及其产生的雷电（图片来源：RogerHill/SolentNewsPhotoAgency）

△典型雷暴云内的电荷分布（图片来源：美国亚利桑那大学网络课件）

什么是雷暴？它是如何形成的？

在大气科学研究中，通常将产生雷电的天气系统过程称为“雷暴”，它是一种局地性强对流天气，发生时可伴随强风、显著的降水以及频繁的雷击（闪电）。

那么雨又是如何来的呢？大气中的水在不同压强和温度下可呈现气、液、固等相态。水汽遇冷凝结成的小水滴和冰晶，聚合浮在空中成为云，当气流“托”不住云，往下掉落并融化成的水滴即是雨。

众所周知，对流层大气的温度随高度递减，在几公里高度上即可降至冰点，所以，湿热空气的对流抬升是形成云和雨的关键。地球表面受太阳辐射加热不均匀、冷气团和暖气团的交汇、气流遇地形阻挡爬升等，都可能形成对流抬升。若水汽充沛、对流旺盛，抬升形成的云可达几到十几公里厚，最终将降下倾盆大雨。

在高空零下十几到几十度的环境中，大量水成物粒子发生增长、碰撞、合并、分离等过程，是雷暴云起电的根源——大气对流的不稳定和能量的剧烈变动，使得雷暴系统内部存在复杂的气流运动，水汽凝结而成的小冰晶，随着气流运动和环境温度的变化，将发生花样百出的变身，形成雪晶、雪花、雹（如软雹、小雹粒、冰雹）等等。

此外，雷暴中还存在0度以下仍未结冰的“过冷水”。在复杂的气流中，它们之间的“摩擦”无可避免——于是，电就被“擦”了出来。

具体而言，在零下十几到几十度的环境中，冰、雪、雹等粒子的身姿体态和大小重量不尽相同，随气流运动的速度也就快慢有别，不同粒子间的碰撞就必然发生。

微观上，冰、雪、雹等粒子的碰撞和弹开，会发生细小的电荷转移，使不同粒子携带正、负相反的电荷；宏观上，不同粒子因密度、重量的差别而随气流分层聚集。形象地说，雷暴系统如同一台巨型抽揉摩擦设备，使原本中性的云体不断分离出正、负电荷——雷暴云被充电了！

△左：云中不同形态的冰晶、雹粒子（图片来源：华盛顿大学云和气溶胶研究科课题组，见专著《AtmosphericScience-AnIntroductorySurvey》）右：水粒子碰撞和弹开形成电荷分离示意图（图片来源：CliveSaunders教授）

雷暴云在发展旺盛的过程中逐渐携带大量电荷，就像无处安放的愤怒，时刻等待着被释放，那些刮破天际的一道道闪光，是不同云层之间、或云与地之间电荷瞬间释放的桥梁。作为长距离、高电压、强电流的大气放电，雷电可产生很宽频段的强电磁辐射，覆盖无线电波、可见光乃至X射线和伽马射线频段。雷电通道的高温可达上万度，通道周围被瞬间加热膨胀的空气形成冲击波，发出轰隆隆的雷声。

与此同时，雷暴中的上升气流也逐渐托持不住大量的冰、雪、雹等粒子，它们掉落并融化成雨滴，于是我们便看到了“地上雨水哗哗啦啦，天上闪电噼噼啪啪”的景象。少数情况下，过于强盛的对流使雹粒生长太大，掉落至地面的过程中甚至来不及融化，就是我们所见到的冰雹。

延伸阅读：长期以来，雷暴云的起电机制是大气电学研究一大难题，以雷暴云内水成物粒子的碰撞、分离为核心的“粒子荷电机制”是目前学界认可度 的主要起电机制，可进一步细分为“非感应起电机制”（如文中所述）、“感应起电机制”（即在电场中被极化的不同粒子碰撞时，接触部分发生异性电荷中和，弹开后各自携带净余的正、负电荷）、“次生冰晶起电机制”等。已有观测所揭示的雷电活动与云内参量的关系，多支持这类起电机制在雷暴起电中的主导作用。

此外，学界对雷暴起电还提出过其他假说，例如粒子的破碎、冻结、融化起电机制，以及与晴天大气电场中自由电荷有关的离子扩散、离子捕获机制等。

雷暴天气很“暴躁”，但也有“温柔”的一面

可能你会觉得，云、雨、电的爱恨纠结，在雷电发生的那一刻就已尘埃落定。但不为人熟知的是，雷电对大气还有更影响深远的物理和化学作用。

就全球大气而言，在天气晴的时候，电离层会往地球不断释放大气电流，持续消耗电离层的“电能”，而雷暴和雷电则是维持电离层电位的重要“发电机”，它们通过雷暴云起电（直流）和雷电（交流）给电离层充电。

对流层雷电还能在几十到上百公里高度的中层大气激发“红色精灵”等放电事件。中层大气放电事件，是由对流层雷电所引发的一种瞬态发光现象，一般发生于40-90km高空，具有红色精灵（RedSprite）、蓝色喷流（BlueJet）、巨大喷流（giganticget）、淘气精灵（Elves）、光晕（Halo）等多种形式。

红色精灵是最常见的中层大气放电事件，通常由强度较大的正极性云对地闪电所诱发。对流层雷电引发的放电能改变这些区域的温度、电子密度等物理状态，并可能威胁在该区域的临近空间飞行器、浮艇等。与此同时，雷暴还是上部对流层大气的“制冷空调”，并输送水汽产生明显的加湿作用。

此外，雷电击穿空气的过程中，高温高压下氮气和氧气被完全电离，并进一步形成氮氧化物LNOx，这种氧化物是大地农作物两好的“肥料物质”。所以，雷雨在灌溉大地的同时，还起到“施肥”的作用呢！而留在大气中的氮氧化物，则作为全球氮循环的一部分，对气候变化产生影响。

△雷暴、雷电作为全球大气电路发电机示意图（图片来源：ColinPrice教授讲义《TheGlobalAtmosphericElectricCircuit》，）

△发生于对流层的雷电激发中层大气放电示意图（图片来源：Pasko,V.P.,,Atmos.physics:Electricjets,Nature,(),–,doi:10./a）

随着研究的推进，人们对云、雨、电在雷暴云中交织的众多科学问题，正在逐步获得较为透彻的理解和认识，将雷电活动与雷暴天气系统不同参量之间的定量关系（包括动力学参量，如水平、垂直方向上的风向、风速及其变化；微物理参量，如冰、雪、雹、过冷水、雨滴等的生消演变和分布状态；降水量等），应用于数值模式中，既可以对强对流、雷暴天气进行预警，也可以对雷电的发生潜势等进行预报，从而提高对雷暴灾害天气的防御能力。

“一切事物都有两面性”，这点在“雷暴”身上，体现得很明显呢！

参考资料：

1.郄秀书,张其林,袁铁,张廷龙(),雷电物理学,科学出版社,北京.

2.Rakov,V.A.,Uman,M.A.().Lightning:PhysicsandEffects.CambridgeUniversityPress.

3.Williams,E.R.(),Theelectrificationofseverestorms.SevereConvectiveStorms.AmericanMeteorologicalSociety,Boston,MA.

4.Pasko,V.P.(),Atmos.physics:Electricjets,Nature,(),–,doi:10./a.

5.美国国家宇航局NASA网站资料：《TheHiddenLifeofThunderstorms》

6.讲义《TheGlobalAtmosphericElectricCircuit》byColinPrice.