雷電是一種極為宏偉壯觀的自然現(xiàn)象，是一門古老而富有神秘色彩的科學(xué)。雷電孕育了地球的生命，又促成了地球上的文明，功莫大焉！但是，雷電的巨大破壞力，又給人類社會帶來慘重的災(zāi)難。而人類與自然的斗爭從未停息過，與雷電的斗爭是卓有成效的。隨著社會的發(fā)展和科技進步，對雷電防護技術(shù)取得了日新月異的進展。
雷電是天氣現(xiàn)象之一。在雷云的形成過程中，某些云團帶有正電菏，另些云帶有負(fù)電荷。它們對大地的靜電感應(yīng)使地面產(chǎn)生異性電荷。當(dāng)這些云團電荷積聚到一定程度時，不同電荷的云團之間或云團與大地之間的電場強度就可擊穿空氣（一般為25～30kV/㎝）開始游離放電。我們稱這種游離放電為“先導(dǎo)放電”，云團對大地的先導(dǎo)放電是云團向地面跳躍（梯級）式逐漸發(fā)展的，當(dāng)它到達地面時（高出地面的微生物、架空輸電線等），便會產(chǎn)生由地面向云團的逆主放電。在主放電階段里，由于異性電荷的劇烈中和，會出現(xiàn)很大的電流（一般為幾十kA至百kA），隨之發(fā)生強烈放電閃光，這就是閃電；強大的電流把閃電通道內(nèi)的空氣急劇加熱到一萬度以上使空氣驟然膨脹而發(fā)出巨大響聲，這就是雷，這就形成了雷電。
雷雨云中的電是怎樣變?yōu)殚W電的？
它有多少種類型？
在雷雨云的不同部位之間聚集著不同符號的電荷，當(dāng)它們積累到一定程度時，就在云的不同部位之間，不同云團之間以及云團與地面之間產(chǎn)生很強的電場，它的強度平均可達幾十萬伏/米，甚至可高達幾百萬伏/米。這么強的電場足以把云內(nèi)、外的大氣層擊穿而產(chǎn)生瞬時強火花放電，這就是閃電。
在地面上用肉眼觀看，常見到一閃一閃的曲折亮線，偶爾也能見到其它形態(tài)的閃電。用特殊照相技術(shù)可以記錄下閃電的形態(tài)及其發(fā)展過程。
最常見的是枝狀閃電，簡稱“枝閃”。它很像一株倒掛的樹枝，彎彎曲曲向下伸展。枝閃可以在云內(nèi)、云與云之間、云與地之間，甚至在云與周圍天空之間產(chǎn)生。其中云地閃大約占整個閃電20﹪，而云空閃極為罕見，它是云內(nèi)電荷與云外空氣中極性相反的電荷間的放電現(xiàn)象。對于當(dāng)空無云的天氣來說，云與周圍大氣間的閃電可算得上是“晴天霹靂”了。
帶狀閃電，簡稱“帶閃”。它看上去像一條很寬的閃電帶，它由連續(xù)幾次放電形成的，每次放電通道被風(fēng)吹向一側(cè)適當(dāng)距離處，使得單獨放電通道彼此靠近就形成帶狀。在眼睛的視覺暫留內(nèi)，看起來似乎它們是同時放電發(fā)光的。
珠狀閃電，簡稱“珠閃”。它像一條在云幕上的閃光珍珠項鏈，常在枝閃消失之后，在原枝閃的位置上發(fā)生，大概是枝狀閃電到球狀閃電的過渡形式。
強烈的枝閃之后，有時會出現(xiàn)球狀閃電。這種閃電十分罕見。
片狀閃電，簡稱“片閃”。它看起來好像是云層上的一大片閃光。這種閃電可能是云層后面看不見的火花放電的反射光，或是云內(nèi)閃電被云滴遮擋而造成的漫射光，也可能是出現(xiàn)在云層上部的放電現(xiàn)象。片閃也是一種常見的閃電，它常在雷雨云強度減弱，降水臨近結(jié)束時出現(xiàn)。
火箭狀閃電比其它各種閃電放電都慢，一般需1～1.5秒鐘才放電完畢。借肉眼可觀察到它的活動，它的形狀好像是拖曳體。
對人類危害最大的是云對地的閃電，人們對它的性質(zhì)研究得最清楚。我們只討論在平坦曠野上空的雷雨云底部帶有負(fù)電荷的那種常見的云地閃電，這種電多數(shù)呈枝狀。
我們?nèi)庋鬯吹揭淮伍W電實際是由相繼的數(shù)次閃擊放電所組成的。每次擊都沿窨同一通道，彼此間隔為百分之幾秒。
一次閃電含有一個接一的閃擊（或叫脈沖）。而每一次閃擊又都由兩個過程組成；由云端發(fā)出的開路先鋒叫“梯極先導(dǎo)”的放電開始，由地面向上竄的“回返閃擊”放電結(jié)束。
閃電初起，在雷雨云底部的強電場作用下，云底部的負(fù)電荷迅速向下運動，沿途不斷與空氣分子碰撞，致使空氣分子產(chǎn)生新的電子和正離子。這些電子再與空氣分子碰撞產(chǎn)生鏈鎖式的“雪崩反應(yīng)”，使得向下運動的負(fù)電荷迅速增多。激烈的雪崩反應(yīng)使空氣分子受到激發(fā)，形成一條發(fā)光的電離通道。
發(fā)光通道是一條長火花，它以跳躍方式逐級向下推進。第一個長火花向下跳躍約十幾米左右，火花消失。停息數(shù)十微秒后，重新沿同一通道跳躍出另一條長火花。再歇息數(shù)十微秒后，它又消失。然后再發(fā)出更長的火花，火花平均長度約為50米。就這樣，帶負(fù)電的火花前端像階梯一樣以每秒100多公里的平均速度一步一步地向地面逼近。梯先導(dǎo)所攜帶的電流大約是100～200安培。它在行進時有時出現(xiàn)分叉，但這些分叉往往未傳到地面就在空中中斷。閃電通道曲曲折折，這與空間導(dǎo)電因素的布狀況有關(guān)。閃電電流總是循電阻最小的途徑的，空間總存在一些導(dǎo)電粒子，它們在空間的分布處處不同，隨地而異，所以閃電的路徑也就變化萬千了。
經(jīng)過多次的放電、消失、梯級先導(dǎo)通道的前端到達離地面很近處（約10～20米），這時在它下面的電場已變得非常強。于是就在地面上，特別是在高出地面的物體上感應(yīng)出大量的正電荷，正電荷相互吸引，這樣，就從地面沖出一股明亮無比的光柱，與先導(dǎo)的前端會合沿著由梯級先導(dǎo)所開辟的高度電離的通道向上竄。這股上竄的電流非常強，最大值可達1萬安培左右，它以3～10萬公里/秒的速度，在千分之幾秒內(nèi)奔向云中，這叫做回返閃擊，或主放電。我們在地面上用肉眼所觀看到的閃電，其實就這種極明亮的主閃擊。
從梯級先導(dǎo)到主閃擊組成了一次完整的閃擊地過程。通常一次閃電由3到4次閃擊組成，有時可記錄到幾十次閃擊。當(dāng)?shù)谝淮伍W擊結(jié)束約百分之幾秒后，緊接著從云端又伸出一條較暗淡的光柱，沿舊通道直沖下來，中間不再歇息，所以稱它為“直竄先導(dǎo)”。它大約在千分之幾秒內(nèi)，以大約2000公里/的速度迅速沖向地面，攜帶著約1000安培的電流。當(dāng)它到地面的那一瞬間，只聽“咝”的一聲，沿著該通道又有一個／回閃一直往上沖出,叫第二次回?fù)簟Ｓ芍备Z先導(dǎo)與回?fù)魳?gòu)成第二次閃擊。因為梯級先導(dǎo)開辟了導(dǎo)電通道，所以直竄先導(dǎo)的速度和攜帶的電流都比梯級先導(dǎo)大。以后的各次閃擊情況基本與第二次相同。由于每一次閃擊放電都要大量消耗雷雨云中的電荷，所以后續(xù)的主放電強度越來越弱，直到雷雨云中電荷消耗盡，閃電放電才告終止。
一次電總壽命只有十分之幾秒，而一次閃電平均向地面輸送約25庫侖的負(fù)電荷。閃電時，云到大地間的電位差上升到幾千萬伏特，閃電通道中電流平均可達幾萬安培，最大可達20萬安培以上。云地電壓很難準(zhǔn)確測出，有用的量是閃電電流，它可以設(shè)法測出來。有了電流和變化速度，就可能估算避雷設(shè)備的設(shè)計參數(shù)。
使用磁鋼棒裝置可測量閃電電流，磁鋼棒是用有強剩磁特性的材料制作的小棒，裝在閃電電流可能流過的地方，如電線桿、避雷針等處。閃電電流使磁鋼棒磁化，由剩磁的大小和極性，就可判斷出閃電電流的大小和方向。
閃電通道的直徑一般只有幾厘米到幾十厘米，強大的閃電電流把通道燒成白熾，通過光學(xué)測量方法可測知通道中氣體的溫度約為2萬攝氏度。一次閃電釋放的能量就有幾萬個千焦耳，這個能量相當(dāng)于一只普通熾電燈連續(xù)點燃幾百小所需的能量。
對一般人來說，雷電的閃電沒有雷聲來得可怕。因為閃電通道的直徑只有幾厘米，而大部分電流是從通道的芯流過的，芯的直徑才有幾個毫米。所以一閃電釋放出的能量，大部分消耗于加熱道內(nèi)的空氣柱，使得那里的溫度在幾微秒內(nèi)急劇升高到幾萬攝氏度。溫度劇增造成通道內(nèi)的氣壓猛增到一百個大氣壓以上。氣柱內(nèi)空氣急劇膨脹，溫度很快下降，壓力降低。空氣的驟脹縮形成爆炸波，它開始時大約以5公里/秒的速度向四面八方傳播，經(jīng)0.1～0.3秒后能量減弱而變成變通的聲波，這就是緊隨閃電之后的雷聲。
我們聽到的雷擊有時是沉悶的隆隆聲，有時是震耳欲聾的霹靂聲，這由聲音的強度或響度以及聲音的音調(diào)或頻率決定。先說響度，如果我們的視線與曲折的閃電通道的某一段相垂直，那么該段上各點空氣的振動生的聲波差不多同時傳到我們的耳膜，于是就聽到了高響度的霹靂聲。如果閃電通道的一段順著我們的視線，這時通道上各點發(fā)出的聲波又經(jīng)云內(nèi)的多次反射而先傳到我們的耳膜，結(jié)果是低強度的隆隆聲。通道越曲折，就越增強隆隆聲效果。
再考慮音調(diào)。雷鳴的產(chǎn)生類似于一次爆炸。大家熟悉，小爆炸聲音調(diào)高，而大的空中炸彈的音調(diào)低。爆炸的能量越大，音調(diào)越低。一般而言，雷鳴的頻率約為50次/秒。雷鳴音調(diào)由兩個因素決定：一定能量的閃電通道，空氣密度越低，音調(diào)就越低。即高處的閃電通道雷鳴應(yīng)比近地的雷鳴音調(diào)低；空氣濾掉了較高的音調(diào)，于是通道越遠的部分，雷鳴音調(diào)越低。這樣，我們聽到的就是拖了幾秒鐘的、連續(xù)不斷的、高低頓挫的轟隆聲。
有時，當(dāng)電離地面只有幾百米時，幾乎跟著耀眼的閃光之后立刻就聽到了令人心驚膽戰(zhàn)的猛擊聲，此聲音似于撕布聲。它來自通道底部的爆炸，由于此處距地面很近，爆炸波還來不及演變成聲波。
雷聲聽起來響亮驚人，但它傳播得并不太遠。離我們20公里以外的閃電，只能隱約聽到雷聲。而遠離們25公里以外高處的閃電就很少聽到雷聲，這是因為大氣的溫度和大氣中空氣的移動速度是隨高度變化的。在雷暴周圍的大氣中，聲波一般是彎曲向上的，此時若人站在足夠高處，尚能聽到此雷鳴。
不少人常擔(dān)心響雷偷襲，在一陣強閃之后立即捂住雙耳，這是人們抵御雷電危害的一種正常行為。其實當(dāng)你聽到雷聲時，閃電已過去了。因為電比雷聲傳播速度快得多，聽到雷聲反而說明你安全無恙。當(dāng)然這是指一次閃電面說的。
一聲響過后，很容易估算閃電離我們有我遠。當(dāng)看見閃電時，立即記下時間，等聽到雷聲時，再記錄時間，兩次時間差乘以聲速就是閃電到觀察者的距離。這個道理很簡單，因為閃電發(fā)出的光以30萬公里/秒的速度傳播，而雷聲以聲速340米/秒傳播。由于閃電電距地面一般只幾公里到幾十公里，所以幾乎在閃電爆發(fā)的同時，人們可看到它。例如，見閃電后10秒鐘才聽到雷聲，閃電大約是從離你3.4公里遠的云內(nèi)發(fā)出的。
雖說雷暴是閃電的主要起源，但不是唯一的。閃電也可能發(fā)生在雪暴、沙暴以及冰雹中。在火山噴出物上升時，在核爆炸產(chǎn)生的火球處，甚至在晴朗的藍天，也都可能發(fā)生閃電。只要大氣中存在著強電場足以擊穿空氣，就提供了產(chǎn)生閃電的條件。
雷電的形成