夏天到了，不時會有雷雨天氣，大家知道雷電是怎麼形成的嗎？對於雷電見怪不怪的我們，當被人問道這個問題的時候，我們要怎麼解釋？這個問題會不會喚醒你沉睡已久的好奇心？
基礎很重要！《雷電之書》是一本關於雷電科學的入門書，下面是《雷電之書》的內容分享。
雷電形成的三大要素
溫差夏季，人們為了避暑會去山地或高原。這些地方四周空氣涼爽，非常舒適。當人們爬到山上等海拔較高的地方時，為何氣溫會降低呢？或許還有人會這樣想：高的地方離太陽更近一些，應該會更熱吧？
在地球的四周存在著對於我們呼吸而言不可或缺的空氣。空氣是由氮氣和氧氣等具有質量的分子構成的，不過單個分子的質量則是可以忽略的。地球的引力會作用於所有的空氣分子。空氣分子被地球向下吸引，就形成了包圍地表的空氣層（大氣層）。這個空氣層的95% 都處在距離地表20 km 之內的範圍。
如果把空氣層劃分成幾個厚度相同的區域，就會如圖1.4 所示。
雖然單獨來看它們的厚度相同、重量相等，但最靠近地表的一層，所承擔的則是它自身和它上面所有層累計的空氣重量。因此，最下層承受的空氣的重量也會「積少成多」，在地表的任何一個地方施加1 個標準大氣壓的壓力，對於比郵票還小的1 cm2的面積而言，其壓下的重量竟然會達到1013 g。但是，隨著高度的上升（離地表越來越遠），氣壓就會以指數函數的關係逐漸變小。在距離地表5.3 km的高度，氣壓將變為標準大氣壓的一半。假設地表的氣溫為30 ℃，那麼離地表高度5 km 的地方氣溫便是0 ℃，高度為12 km 時，則是-50 ℃，變得極其寒冷。空氣的壓力和體積變化，也會引起溫度變化。在密封的容器里充入空氣並施加壓力，空氣體積縮小，溫度就會上升。相反，加大空氣體積，溫度則會下降，這是與氣體的性質（波義耳定律）相關的。上行的空氣（例如上升氣流等）也是如此。空氣上升到高處，壓力隨高度抬升變小，空氣體積擴張的同時，溫度便會下降。根據這樣的機制，地表與形成雲的高空就形成了溫差。不過，在距地表20 km 以上的高度（不存在雲的高度），空氣已經非常稀薄，冷卻效應便會消失。相反，這裡還會因太陽光的直射而溫度上升。
上升氣流上升氣流會在高空形成各式各樣的雲，除此之外，還具有讓雲中產生摩擦，進而產生電的作用。上升氣流的產生方式有多種，如圖1.5 所示。
我們在天氣預報中常聽到低氣壓會產生上升氣流。低氣壓意味著當地的空氣壓力比周圍的空氣壓力更低。低氣壓的低，只是相對於周圍而言。所以，就算是低氣壓，有時也會超過1個標準大氣壓。低氣壓周圍的空氣會因壓力差流入，而流入的空氣可通行的只有去往高空一條路，因此便產生了上升氣流。通過上升氣流，空氣體積擴散，溫度變低。當達到露點溫度（溶在空氣中的水蒸氣成為水的溫度）以下的高度時，便會形成雲。也正是這個原因，當低氣壓鄰近時，天氣通常會變壞。另外，當空氣因溫差形成對流時，也會形成上升氣流。當地面因強烈的日光而變得溫暖時，地面與寒冷的高空之間就會形成溫差，溫差引起空氣的對流，便會產生上升氣流。比如在夏季，在陽光強烈的午後發生的雷雨，成因便多是溫差產生的上升氣流。另外，鋒面交匯也會產生上升氣流。所謂鋒面，是指溫度不同的空氣團交匯的部分，這樣會引起空氣對流，因此非常容易產生上升氣流。地形也會產生上升氣流。當風遇到大山等阻隔地形時，會沿著山脊被抬升，變為上升氣流。赤道附近的南國島嶼，由於島嶼比海面更容易變暖升溫，所以島嶼的上空會產生上升氣流，有時還會形成雲帶來降水。
摩擦電
物質由多種分子組成，而分子又是由原子構成的。原子中心的原子核帶正電荷，它四周的電子云中則聚集了帶負電荷、不停運動著的電子。但是，因為原子內的正負電相同，於是，原子在電的性質方面保持著中性狀態（電中性）。所以，由分子或原子構成的物質通常不會表現出帶電性質。然而，當摩擦物體產生熱能時，原子的電性質平衡遭到破壞，就會表現出帶電性質。我們把這樣形成的電稱為摩擦電。比如，將兩張薄膜（接觸）貼在一起用力摩擦（壓力），當分開（分離）時，便會產生靜電。接觸壓力越大，分離速度越快，靜電電量就會越多（電壓變高）。兩種物質互相摩擦，我們把容易帶正電（+）的物質排在前面，把容易帶負電（-）的物質排在後面，這樣形成的次序叫作帶電序列。在圖1.6 中，
用毛皮摩擦玻璃時，毛皮會帶（-）電，玻璃會帶（+）電。物質的帶電性質可以通過摩擦對象而改變，把帶電序列的前面的物質和後面的物質進行摩擦時，排在前面的物質帶（+）電，排在後面的物質帶（-）電。帶電序列中，位置靠近的物質，摩擦產生的電量（電壓）較小。
雷雨雲的成長
雲的形成一般情況下，形成雲的雲凝結核是由直徑0.02 mm 左右的水滴或冰的結晶（冰晶）構成。雲凝結核由上升氣流支撐而懸浮在空中。不過，也有的雲凝結核會與上升氣流「背道而馳」，自上而下地落下，它們就是直徑在2 mm 以上的水滴或冰粒等。雨、雪、霰（雪丸）、雹等就屬於這種情況，我們稱之為降水。如果以雲的高度分類，可像圖1.7 那樣分為三大類型。
高雲族主要由冰晶構成， 形成於距地表5 km～ 13 km 的高空， 包括「捲雲」「卷積雲」「卷層雲」等；中雲族形成於距地表2 km～7 km 的空中，包括「高積雲」「高層雲」「雨層雲」；低雲族形成於地表之上2 km 的高度，包括「層積雲」「層雲」等。此外，還有因上升氣流自下而上伸展發育的對流雲，包括「積雲」「積雨雲」等。這種積雨雲容易發展為雷雨雲。
發展為雷雨雲積雨雲在垂直方向的高度可達10 km 以上，在它的巨大身軀之內，溫暖的上升氣流和寒冷的下沉氣流相互碰撞、摩擦，使得積雨雲得到巨大的電能充能，進而逐漸變化為雷雨雲。雲內生成電的過程，在所有季節基本都是相同的。下面會詳細介紹這一過程。在雲中，雲粒子（雲滴、冰晶等）和降水粒子（雨、雪、霰、雹等）之間的電（準確來說是電荷）呈分離趨勢活動著。但是，由於庫侖力（帶電物體彼此間的作用力）的緣故，正負電荷相互拉扯牽制。所以，雲粒子和降水粒子間的電荷若想分離，則必須戰勝庫侖力的作用。在這種情況下，抬升雲粒子的上升氣流和對降水粒子起到作用的地球引力將完成這個任務。降水粒子中，雨滴的最大直徑約為4 mm，當直徑比這種雨滴更大的霰粒子大量產生並激烈降下時，就會產生滿足雷電發生所需要的充足電荷。並且，在霰粒子形成時，也會產生細微的冰晶，從電的性質上來講，冰晶帶正電，霰粒子帶負電。通過上升氣流和地球引力的平衡作用，較輕的冰晶被搬運到雲的上部，因而，雲的上部分布著正電荷。而在這些冰晶的下面，則是因地球引力作用而下沉的霰粒子，帶負電的霰粒子使得其所在的區域分布著負電荷。霰粒子因受到地球引力而下沉，與此同時，上升氣流也同樣發揮作用抬升雲粒子，所以，在一定高度的雲內，正負電荷會發生分離，並分別蓄積起來（圖1.8）。
不過，關於雲內部粒子（雨滴、冰晶、霰粒子等）帶電的電荷符號（正、負）形成機制，目前還不清楚。這種電的蓄積儲存狀態，與我們日常生活中的乾電池一樣，但也有幾點不同。第一，這裡產生電的機制不是化學反應，而是可以將其視為物理現象。第二，從蓄積儲存電的能力來說，可以把雷雨雲視為充電電池。不過，即使發生落雷，雷雨雲中的電消失了，只要具備可以形成上升氣流、冰晶、霰粒子的氣象條件，雷雨雲也具有自動充電的功能。
更進一步說，與我們使用的電池的根本不同之處在於，雷雨雲是自然創造出的產物，其規模是人工製造物無法比擬的。並且，它也是沒有實體的。
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