地球磁场—人类赖以生存的必须环境—第三章电闪雷鸣

时间：2015-04-24 03:25:04

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第三章电闪雷鸣

雷阵雨（Thundershowers）是一种天气现象，表现为大规模的云层运动，比阵雨要剧烈得多，还伴有放电现象，常见于夏季（亚热带）。雷阵雨来到时，往往会出现狂风大作、雷雨交加的天气现象。雷阵雨是人类经常看到的剧烈的自然现象。

雷阵雨云中会发生猛烈的放电现象就是——闪电（lightning）。在放电的路径上通过的电流约1万安培，偶尔可达到10万安培，使仅几厘米通道上的空气温度猛增，最可高达上万摄氏度，致使周围空气体积骤然膨胀，发生爆裂之声就是——雷声。由于光速比声速快，故先见其闪电，然后闻雷声。强烈的雷电有时会毁坏建筑物和击毙人畜。所以人们对电闪雷鸣成因极为关心，由于人类早期对其认识的不连续性，对雷电的敬畏还发生过许多的神话故事。

§1 早期认识的电闪雷鸣

雷电是伴有闪电和雷鸣的一种雄伟壮观而又有点令人生畏的放电现象。雷电一般产生于对流发展强盛的积雨云中，因此常伴有剧烈的阵风和暴雨，有时还伴有冰雹和龙卷风。一个中等强度雷暴的功率可达一万千瓦，相当于一座核电站的输出功率。放电过程中，由于闪电通道中温度骤增，使空气体积急剧膨胀，从而产生冲击波，导致强烈的雷鸣。带有电荷的雷云与地面的突起物接近时，它们之间就会发生激烈的放电。在雷电放电地点会出现强烈的闪光和爆炸的轰鸣声。这就是人们见到和听到的闪电雷鸣。

气流在雷雨云中会因为水分子的摩擦和分解产生静电。这些电分两种，一种是带有正电荷粒子的正电，一种是带有负电荷粒子的负电。正负电荷会相互吸引，就像磁铁一样。正电荷在云的上端，负电荷在云的下端吸引地面上的正电荷。云和地面之间的空气都是绝缘体，会阻止两极电荷的电流通过。当雷雨云里的电荷和地面上的电荷变得足够强大时，两部分的电荷会冲破空气的阻碍，相接触形成强大的电流。正电荷与负电荷就此相接触，当这些异性电荷相遇时便会产生中和作用(放电)。激烈的电荷中和作用会放出大量的光和热，这些放出的光就形成了闪电。不过这种想象的解释，在实验室中难以再现。

大多数的闪电都是两次连接接触的。第一次叫前导闪接，是一股看不见的空气击穿叫前导，一直下到接近地面的地方。这一股带电的空气就像一条电线，为第二次电流建立一条电导路。在前导接近地面时的一刹那，一道回接电流就沿着这条导路跳将上来，这次回接产生的闪光就是我们通常所能看到的闪电了。

现在我们知道电荷中和作用时会放出大量的光和热，瞬间放出大量的热会将周围的空气加热到30,000℃的高温。强烈的电流在空气中通过时，造成沿途的空气突然膨胀，同时推挤周围的空气。使空气产生猛烈的震动，此时所产生的声音就是——雷声。

闪电若落在近处，我们听到的就是震耳欲聋的轰隆声。闪电若是落在较远处，我们听到的是隆隆不绝的雷鸣声。这是因为声波受到大气折射和地面物体反射后所发出的各个方向的回声。

还有人认为，暴风云通常产生电荷，底层为阴电，顶层为阳电，而且还在地面产生阳电荷，如影随形地跟着云移动。正电荷和负电荷彼此相吸，但空气却不是良好的传导体。正电荷奔向树木、山丘、高大建筑物的顶端甚至人体身上，企图和带有负电的云层相遇；负电荷枝状的触角则向下伸展，越向下伸越接近地面。最后正负电荷终于克服空气的阻障而连接上。巨大的电流沿着一条传导通道从地面直向云涌去，产生出一道明亮夺目的闪光。一道闪电的长度可能只有数百米(最短的约为100米)，但最长可达数千米。闪电的温度，从摄氏17,000~28,000℃不等，也就是等于太阳表面温度的3～5倍。闪电的极度高热使沿途空气剧烈膨胀。空气移动迅速，因此形成波浪并发出沉闷的声音。

§2 富兰克林和风筝实验

富兰克林(Benjamin Franklin，1706～1790年)，美国科学家、发明家、政治家和社会活动家。他研究电现象后，首先将两种电荷定名为正电荷和负电荷；并提出单流体说；还有电荷守恒原理；他做了著名的费城风筝实验，统一了天电和地电；还发明了避雷针。

在富兰克林之前，人们对天上的雷电有一种恐惧感和神秘感，甚至许多人认为雷电是上帝发怒时而发出的吼声。富兰克林在以莱顿瓶做实验的过程中，面对着电火花的闪光和劈啪声，总是禁不住与天空的电闪雷鸣联系起来。他比较了雷电和莱顿瓶的放电，发现它们有许多共同之处；它们都发出相同的光色，有锯齿般的形状，能被金属、水或冰传导，能点燃易燃物，杀死动物，熔化金属，破坏磁性。有一次，他将几个莱顿瓶连接起来，准备用强电击杀一只火鸡，不料，实验还未开始，他先碰到了莱顿瓶，结果当场被击晕过去。等他醒来之后，不失诙谐地说了一句：“好家伙，我本想电死一只火鸡，结果差一点电死一个傻瓜。”尽管电学实验很危险，富兰克林还是决定捕捉这在天之电。

怎样捕捉天电呢？莱顿瓶是很合适的，因为它能储存电。问题是怎样能将天电引到莱顿瓶里呢？用竹竿显然接不到多高，即使架在建筑物上，比起高高的天空还是显得太低矮了。富兰克林冥思苦想多日。突然，他的眼睛一亮，何不用风筝来引来天电呢！于是，他和儿子威廉一起用两根很轻的杉木做成一个十字架，然后把一块丝绸的四个角扎在十字架的末端，这样就做成了一个大风筝。然后把一根很细的铁丝固定在十字架的直木条的顶上，使铁丝高出木架约20厘米，这样可以更好地引下天空中的电。铁丝末端与放风筝的丝线相连。

1752年7月的一天，美国费城的上空阴云密布。富兰克林知道，盼望多日的暴风雨就要来了。他喊上儿子威廉，拿起大风筝，包好莱顿瓶，跑到了离家不远的田野上。强风托着风筝扶摇直上，转眼就飞入云霄。随着一阵电闪雷鸣，大雨倾盆而下。不一会儿，富兰克林父子俩的外衣便被淋湿后已经成为导线。为了防止将电引到自己身上，富兰克林用一块干绸巾包住迁风筝线的手，并且在风筝在线挂上一把铜钥匙准备引电用。

风筝穿进带有雷电的云层，闪电在风筝上闪烁，雷声隆隆。这时，富兰克林发现丝线的毛毛头全都竖立了起来，他断定整个风筝带电了。当他感到扣风筝线的手有些麻木的感觉时，就把另一只手的手指靠近铜钥匙，顷刻之间，钥匙上闪射出一串串火花。

“哎哟!”富兰克林叫喊了一声，赶紧将手指抽回，无限的欢乐也像电流一样传遍他的全身。他喊起来：“威廉，我受到电击了!我们捕捉到了天电!”他顾不得危险，让儿子拿出来莱顿瓶，将铜钥匙移近莱顿瓶的金属球，直接给莱顿瓶充了电。就这样，过去神秘而可怕的天电被富兰克林装进了瓶子。

富兰克林用收集起来的天电做了一系列实验，结果证明它的性质与用起电机产生电的性质完全相同，天电只不过是剧烈的放电而已。

应该指出的是，富兰克林的风筝实验是很危险的，那次他没有出现意外，完全是侥幸。在富兰克林实验后的第二年，一个叫李赫曼的俄国人也学着富兰克林作这个实验，结果当场被电死。

弄清了天电的性质，富兰克林想起他平时用莱顿瓶做实验时，发现尖端更易放电的现象。他马上想到利用尖端放电原理将天空威力巨大的雷电引入地面，以避免建筑物惨遭雷击。

1760年，富兰克林在费城一座大楼上树起了一根避雷针，效果十分显著。费城各地竞相仿效，到1782年，全城已装了400根避雷针。教会起先反对装避雷针，说雷电是神表示的愤怒，不允许人们干涉它们的破坏力。但教会的反对并起不了多大的作用，人们还是相信避雷针可以保护自己的建筑物。

富兰克林最主要的贡献就是对说明各种电现象的理论（如电荷的产生、电荷的移转、静电感应等）作了比较系统的阐述。最初，他热衷于发明设计小器件，这给他以后的电学实验研究打下坚实的基础。从1745年起他在不到10年的时间内，利用一些简单的工具、器械进行了各种大胆的新的电学实验。通过实验，富兰克林首先提出电学史上一项重要的假说：电的单流质理论。富兰克林第一次用数学上的正负概念来表示两种电荷的性质；同时还发现了尖端放电现象。更重要的是，富兰克林提出了电的转移理论。之后，这个理论发展为电荷守恒定律，这是自然界最基本的定律之一。1747年，富兰克林对莱顿瓶进行了研究，阐明了电容器的原理。在1749～1751年间，富兰克林仔细观察和研究了雷、闪电和云的形成，提出了云中的闪电和富兰克林的风筝实验摩擦所产生电的性质是相同的推测。1750年提出了关于避雷针的建议。这一建议首先于1852年在法国马利大学得到应用。1752年他在费城进行了震动世界的电风筝实验，证明了他的“闪电和静电的同一性”设想。富兰克林还研究了带电体之间的相互吸引和排斥；不规则带电导体中的电荷分布；感应起电现象等。富兰克林创造了许多电学方面的专门名词。富兰克林相当广泛地研究和观察其他自然现象。他还阐述了热传导理论；研究过利用蒸发取得低温的方法；近代通风的方法等等。

§3 令人震撼的自然现象

雷电是一种地球上非常自然的现象，每年的雷电能量十分巨大，可惜的是，人们现在还不能够利用它，而且还会因它造成不少损失。例如，它曾引起过无数次森林大火，每年所造成的财物损失高达许多亿元；它也是电力中断的主要原因之一，因为它那突如其来的强大电能力，会将变压器烧毁；闪电的最大威胁乃是伤害人的生命，它比龙卷风、飓风或洪水更可怕，造成的人的死亡数目更高。

雷电是不可避免的自然灾害。地球上任何时间都有雷电在活动。据统计，每秒钟能造就1800阵雷雨，伴随600次闪电，其中就有100个炸雷击落地面，造成建筑物、发电设备、通讯和影视设备的破坏，引起火灾，毙伤人、畜、每年经济损失达10亿美元，死亡3000人以上。其中美国每年有将近400人被雷击死，财产损失达2.6亿美元。1996年7月20日，印度东北地区雷雨不断，雷电击中了比哈尔邦的一座校舍，造成15名小学生死亡，多人受伤。雷电还将树下5个人全部烧死。将另外4名在田间劳作的农民击死。

然而，它并不是百弊而无一利。据物理学家推测，闪电可能与地球上生命的进化发生过重要关系。实验室里所作的实验证明，强力的电击能将构成地球洪荒时代大气的4 种气体——甲烷、氨、氢和水蒸汽一一分解，而产生构成生命有机体元件的氨基酸。后来，雷电无疑是原始人的火的唯一来源。直到今天，大地的负电荷仍要靠大雷雨供应。而且雷电本身也协助其产生活性的原因。

闪电是雷雨云体内各部分之间或者云体与地面之间，因带电性质不同形成很强的电场的放电现象。由于闪电通道狭窄而通过的电流太大，这就使闪电通道中的空气柱被烧得白炽发光，并使周围空气受热而突然膨胀，其中云滴也会因高热而突然汽化膨胀，从而发出巨大的声响——雷鸣。

在云体内部与云体之间产生的雷为高空雷；在云地闪电中产生的雷为“落地雷”。落地雷所形成的巨大电流、炽热的高温和电磁辐射以及伴随的冲击波等，都具有很强大的破坏力，足以使人伤亡，建筑物被破坏。如在1986年4月25日7时20分，湖南省溆浦县的观音阁、双井、低庄乡等地，乌云压顶，风雨交加，电闪雷鸣……随着一道强烈的闪光和一乱，雷声、雨声、风声、哭声、喊声混杂在一起。据地、县联合调查组调查，当场雷击死亡7人，伤10人，其中重伤3人，有一名死者的头发、衣物全被烧光，身躯也被烧焦形变，惨不忍睹。

雷电对人体的伤害，有电流的直接作用和超压或动力作用，以及高温作用。当人遭受雷电击的一瞬间，电流迅速通过人体，重者可导致心跳、呼吸停止，脑组织缺氧而死亡。另外，雷击时产生的是火花，也会造成不同程度的皮肤烧灼伤。雷电击伤，亦可以使人体出现树枝状雷击纹，表皮剥脱，皮内出血，也能造成耳鼓膜或内脏的破裂等。

人们研究得比较详细的是线状闪电，我们就以它为例来讲述闪电的结构。闪电是大气中脉冲式的放电现象。一次闪电由多次放电脉冲组成，这些脉冲之间的间歇时间都很短，只有百分之几秒。脉冲一个接着一个，后面的脉冲就沿着第一个脉冲的通道行进。现在已经研究清楚，每一个放电脉冲都由一个“先导”和一个“回击”构成。第一个放电脉冲在爆发之前，有一个准备阶段—“阶梯先导”放电过程：在强电场的推动下，云中的自由电荷很快地向地面移动。在运动过程中，电子与空气分子发生撞击，致使空气被轻度电离并发出微光。第一次放电脉冲的先导是逐级向下传播的，像一条发光的舌头。开头，这光舌只有十几米长，经过千分之几秒甚至更短的时间，光舌便消失；然后就在这同一条通道上，又出现一条较长的光舌(约30米长)，转瞬之间它又消失；接着再出现更长的光舌，采取“蚕食”方式步步逼向地面。经过多次放电——消失的过程之后，光舌终于到达地面。因为这第一个放电脉冲的先导是一个脉动接一个脉动地从云中向地面传播，所以叫做“阶梯先导”。在光舌行进的通道上，空气已被强烈地电离，它的导电能力大为增加。空气连续电离的过程只发生在一条很狭窄的通道中，所以电流强度很大。

当第一个先导即阶梯先导到达地面后，立即从地面经过已经高度电离了的空气通道里向云层中流去大量的电荷。这股电流是如此之强大，以至空气通道电离体被烧得白炽耀眼，出现一条弯弯曲曲的细长光柱。这个阶段叫做“回击”阶段，也叫“主放电”阶段。阶梯先导加上第一次回击，就构成了第一次脉冲放电的全过程，其持续时间只有百分之一秒左右。

第一个脉冲放电过程结束之后，只隔一段极其短暂的时间(百分之四秒)，又发生第二次脉冲放电过程。第二个脉冲也是从先导开始，到回击结束。但由于经第一个脉冲放电后，“坚冰已经打破，航线已经开通”，所以第二个脉冲的先导就不再逐级向下，而是从云中直接到达地面。这种先导叫做“直窜先导”。直窜先导到达地面后，约经过千分之几秒的时间，就发生第二次回击，而结束第二个脉冲放电过程。紧接着再发生第三个、第四个…．。直窜先导和回击，完成多次脉冲放电过程。由于每一次脉冲放电都要大量地消耗雷雨云中累积的电荷，因而以后的主放电过程就愈来愈弱，直到雷雨云中的电荷储备消耗殆尽，脉冲放电方能停止，从而结束一次闪电的全过程。

线状闪电，犹如枝杈丛生的一根树枝，蜿蜒曲折。带状闪电与线状闪电相似，只是亮的通道比较宽，看上去好像一条较亮的亮带。球状闪电一般发生在线状闪电之后，它是一个直径为20厘米左右的火球，发出红色或桔黄色的光，偶然发出美丽的绿色，一般维持几秒钟。火球在空中随风飘移，喜欢沿物体边缘滑行，还能穿过缝隙进入室内，当它行将消失时会发生震耳的爆破声。

§4 闪电成因分析

产生雷电的条件是雷雨云中有积累并形成能量电极性。我们以下开始对雷雨云的带电机制及电荷分布规律，进行讨论，积累资料，并提出各种各样的解释，但是其中论点至今也许还在争论不休。

一、闪电的类型

风雨雷电，是最为人们所熟知，最贴近人们的耳目感官，人人可得而观之的自然现象。对闪电的初步分类大致如下。

（一）线状闪电

线状闪电与其它闪电不同的地方是它有特别大的电流强度，平均可以达到几万安培，在少数情况下可达20万安培。这么大的电流强度，可以毁坏和摇动大树，有时还能伤人。当它接触到建筑物的时候，常常造成“雷击”而引起火灾。线状闪电多数是云对地的放电。

（二）片状闪电

片状闪电也是一种比较常见的闪电形状。它看起来好像是在云面上有一片闪光。这种闪电可能是云后面看不见的火花放电的回光，或者是云内闪电被云滴遮挡而造成的漫射光，也可能是出现在云上部的一种丛集的或闪烁状的独立放电现象。

（三）球状闪电

球状闪电虽说是一种十分罕见的闪电形状，却最引人注目。它像一团火球，有时还像一朵发光的盛开着的“绣球”菊花。它约有人头那么大，偶尔也有直径几米甚至几十米的。球状闪电有时候在空中慢慢地转游，有时候又完全不动地悬在空中。它有时候发出白光，有时候又发出像流星一样的粉红色光。球状闪电“喜欢”钻洞，有时候，它可以从烟囱、窗户、门缝钻进屋内，在房子里转一圈后又溜走。球状闪电有时发出“咝咝”的声音，然后一声闷响而消失；有时又只发出微弱的噼啪声而不知不觉地消失。球状闪电消失以后，在空气中可能留下一些有臭味的气烟，有点像臭氧的味道。球状闪电的生命史不长，大约为几秒钟到几分钟。

（四）带状闪电

带状闪电是由连续数次的放电组成，在各次闪电之间，闪电路径因受风的影响而发生移动，使得各次单独闪电互相靠近，形成一条带状。带的宽度约为10米。这种闪电如果击中房屋，可以立即引起大面积燃烧。

（五）联珠状闪电

联珠状闪电看起来好像一条在云幕上滑行或者穿出云层而投向地面的发光点的连线，也像闪光的珍珠项链。有人认为联珠状闪电似乎是从线状闪电到球状闪电的过渡形式。联珠状闪电往往紧跟在线状闪电之后接踵而至，几乎没有时间间隔。

（六）火箭状闪电

火箭状闪电比其它各种闪电放电慢得多，它需要l～1.5秒钟时间才能放电完毕。可以用肉眼很容易地跟踪观测它的活动。

（七）黑色闪电

一般闪电多为蓝色、红色或白色，但有时也有黑色闪电。由于大气中阳光、云的电场和某些理化因素的作用，天空中会产生一种化学性能十分活泼的微粒。在电磁场的作用下，这种微粒便聚集在一起，形成许多球状物。这种球状物不能发射能量，但可以长期存在，它没有亮光，不透明，所以只有白天才能观测到它。

（八）超级闪电

超级闪电指的是那些威力比普通闪电大100多倍以上的稀有闪电。普通闪电产生的电力约为10亿瓦特，而超级闪电产生的电力则至少有1000亿瓦特，甚至可能达到万亿至100000亿瓦特。

纽芬兰的钟岛在1978年显然曾受到一次超级闪电的袭击，连13千米以外的房屋也被震得格格响，整个乡村的门窗都喷出蓝色火焰。

在任何给定时刻，世界上都有1800场雷雨正在发生，每秒大约有100次雷击。在美国，雷电每年会造成大约150人死亡和250人受伤。全世界每年有4000多人惨遭雷击。在雷电发生频率呈现平均水平的平坦地形上，每座300英尺高的建筑物平均每年会被击中一次。每座1200英尺的建筑物，比如广播或者电视塔，每年会被击中20次，每次雷击通常会产生6亿伏的高电压。

每个从云层到地面的闪电实际上包含了在60毫秒间隔内发生的3到5次独立的雷击，第一次雷击的峰值电流大约为2万安培，后续雷击的峰值电流减半。最后一次雷击之后，可能会有大约150安培的连续电流，持续时间达100毫秒。

经测量，这些雷击的上升时间大约为200纳秒或者更快。通过2万安培和200纳秒，不难计算得到dI/dt的值是每秒1011安培！

二、云的分类

为更好地理解雷电，我们再来讨论云的分类，云是由大气中水汽凝结凝华而形成的微小水滴、过冷水滴、冰晶、雪晶，由它们单一或混合组成，形状各异飘浮在天空中可见的混合体。

云的生成，宏观特征、量的多少，在天空中分布情况和演变，都能够显示出当时大气运动、温度状态、稳定程度和水汽状况，也是预示未来天气演变的主要征兆之一。

客观地观测分析云的宏观演变，描述天气实况，是研讨天气变化规律的一项重要因素。云的宏观特征千姿百态，形成的物理过程略有差异，但都有其共同的特点。

气象学习惯地将常见云层按高度分成为三大类，既高云、中云和低云三族。

此外，世界气象组织1956年公布的国际云图分类体系又将云分为十个属。其中低云有积云(Cu)、积雨云(Cb)、层积云(Sc)、层云(St)和雨层云(Ns)，中云有高积云(Ac) 和高层云(As), 高云则有卷云(Ci)、卷层云(Cs)、卷积云(Cc)。

一般来说，高云都在4500米以上，中云云底在2500～4500米，低云云底为 100～2500米。需要指出的是，有些云属经常会伸展至其它云层，如属于中云族的高层云可能伸展至高云族所在的层次，积云和积雨云能伸展至中云族和高云族所在的层次。

云的生成和增长是十分复杂的物理过程，它是依据当时大气中温度、湿度、气流、凝结核和冰核数量的多少等诸多因素的相互作用而形成了绚丽多彩的云状和具有瞬间多变的特点。

（一）低云

低云分为积云、积雨云、层积云、层云、雨层云五属。

低云多由微小水滴组成，厚的或垂直发展旺盛的低云的下部由微小水滴组成而中、上部是由微小水滴、过冷水滴和冰晶混合组成。低云的云底距地面高度较低，一般低于2500米，它是随季节、天气条件和不同经纬度而有变化。

多数低云都有可能产生降水，雨层云多出现连续性降水，积雨云多产生阵性降水，有时降水量很大。

1、积云Cu

轮廓分明，顶部凸起，云底平坦，云块之间多不相连的直展云；它是由低层空气对流作用使水汽凝结或在冬季凝华而形成的云。

淡积云 Cu hum 积云处在发展初期，云体底部较平，北方淡积云轮廓清晰，个体不大，顶部呈圆弧形凸起，云体水平宽度大于垂直厚度，薄的云块呈白色，厚的云块中部有淡影。南方淡积云由于水汽较多，轮廓不如北方淡积云清晰。淡积云单体分散或成群成群分布在空中，晴天多见。

淡积云是由直径5～30微米的小水滴组成，而北方和青藏高原地区冬季的淡积云是由过冷水滴或冰晶组成，有时会降零星雨雪。

碎积云 Fc 它是由1～15微米的小水滴组成。云体很小，比较零散分布在天空，形状多变，为白色碎块，多为破碎了或初生的积云。

浓积云 Cu cong 浓积云云体高大，轮廓清晰，底部较平，比较阴暗，很像高塔，垂直发展旺盛，垂直厚度超过水平宽度、顶部呈圆弧形重叠，很像花椰菜。

浓积云是由大小不同尺度的水滴组成，小水滴直径出现在5～50微米之间；大水滴多出现在100～200微米之间。当云发展旺盛时，云中上升气流可达10～20米/秒，当云顶温度在-10℃以下，会出现过冷水滴、冻滴、霰和冰晶。每当浓积云发展非常旺盛时，云的顶部会出现头巾似的一条白云，叫幞状云。

浓积云是由淡积云发展或合并发展而成，当它发展旺盛阶段时，一般不会出现降水，但也有时降小阵雨。如果清晨有浓积云发展，显示出大气层结不稳定，会出现雷阵雨天气。

2、积雨云Cb

积雨云是由浓积云演变而成，云体浓厚庞大垂直发展旺盛，很像耸立的高山，顶部已冰晶化，呈白色，毛丝般的纤维结构，云顶随云的发展逐渐展平成砧状。积雨云的底部显得十分阴暗，常有雨幡下垂或伴有碎雨云。

积雨云下部是由水滴、过冷水滴组成，中上部由过冷水滴、冻滴、冰晶和雪晶组成，当发展最旺盛阶段还有不同尺度的霰粒和冰雹。积雨云中有强烈上升、下沉气流区，较大的上升气流速度可达30～35米/秒，正常气流度可达10米/秒。积雨云底部经常出现起伏不平呈滚轴状或悬球状的云底。

积雨云是对流云发展到极盛阶段，常产生较强的阵性降水，并伴有大风、雷电等现象，有时还出现强的降雹（叫冰雹云），有时有龙卷风产生。

秃积雨云 Cb calv 秃积雨云是浓积云向鬃积雨云发展过渡阶段。云的顶部已开始冰晶化，呈圆弧形重叠，轮廓模糊，已出现少量白色茸毛状云丝，但尚未扩展开来。

鬃积雨云 Cb cap 它是积雨云发展的成熟阶段，云顶有白色毛丝般的纤维结构，并已扩展成为马鬃状叫鬃积雨云或成为铁砧状积雨云，云的底部阴暗而混乱。

3、层积云Sc

云体的大小，厚薄不匀，形状有较大差异，有条状、片状或团状，呈灰白色和暗灰色，薄的层积云可看到太阳所在的位置，厚的层积云比较阴暗。层积云在天空分布不同，有的成行或呈波状排列，有的排列很不规则。

层积云的厚度在100米到2000米之间，由直径5～40微米水滴组成。在冬季和高原地区的层积云由过冷水滴、冰晶和雪晶组成。

层积云在一般天气条件下，是由大气中出现波状运动和乱流混合作用使水汽凝结而形成的。有时是由局地辐射冷却而形成。层积云云底较低，当云层发展较厚时常出现短时降雨，冬季降雪。

透光层积云 Se tra 云体较薄，呈灰白色，排列比较整齐，透光层积云边缘比较明亮。云体之间有明显的缝隙，可分辨出日月位置，如果层积云上边还有云层也能看到。

蔽光层积云 Sc op 蔽光层积云的云块或条状比较密集，云块较厚，呈暗灰色，无缝隙，大部分云体可以遮蔽日、月的层积云，云底有明显波状起伏，布满天空，有时会产生降水。

积云性层积云 Sc cug 云体是扁平的长条形，灰白色，暗灰色，顶部具有积云特征。它是由衰退的积云或积雨云扩展、平衍而形成的；有时是由傍晚地面散热，空气抬升直接影响而形成的。积云性层积的出现，显示出对流减弱趋向稳定，有时会降零星小雨。

堡状层积云 Sc cast 云体呈细长条状，底部较平，顶部凸起一个或几个云堡，但高度不同，有继续发展的趋势，云体视角宽度大于5°。从远处观测好像城堡或长条形锯齿。堡状层积云是局部地区有较强的上升气流突破稳定气层之后，又继续发展而形成的。如果当地水汽条件较好，垂直气流继续增强，有利于积雨云发展，预示着当地将有雷阵雨天气。

荚状层积云 Se lent 云体多为中间较厚、边缘较薄，在地形影响气流形成驻波的作用下而成豆荚、梭子形的云状、个体分明，分布在天空，云体视角宽度为5°～30°。

4、层云St

云层比较均匀呈幕状，灰白色，好似浓雾，云底较低，但不接地，经常笼罩山体和高层建筑。

层云是由直径5～30微米的水滴或过冷水滴组成。层云厚度一般在400～500米之间。

层云是在大气稳定的条件下，因夜间强辐射冷却或乱流混合作用，水汽凝结或由雾抬升而成。层云常在太阳升起之后气温逐渐升高，稳定层被破坏，层云也逐渐消散。层云也有时降毛毛雨，冬季降小雪。

碎层云 Fs 它是层云逐渐消散过程中的碎云或辐射雾抬升而形成碎层云，形状多变，呈灰色或灰白色，当碎层云出现时将是晴天。

5、雨层云Ns

雨层云云底很低，云层很厚，一般厚度为4000～5000米，能遮蔽日、月，呈暗灰色，云底经常出现碎雨云。雨层云覆盖范围很大，常布满天空。

云层的中下部由水滴和过冷水滴组成。北方和高原地区的雨层云中部由过冷水滴、冰晶和雪晶组成。

雨层云常出现在暖锋云系中，也有时出现在其它天气系统中，它是由潮湿空气系统滑升，绝热冷却而形成的。雨层云常出现连续性降雨。北方冬季降雪，而高原地区夏季常出现降雪。农谚“天上灰布悬，雨丝定连绵”是指雨层云降水。

碎雨云 Fn 云底很低，通常只有50～400米，云体零散破碎，形状多变，移动较快，呈灰色或暗灰色，经常出现在雨层云，积雨云或较厚的高层云云底下边，它是由雨滴蒸发或雪晶升华，空气中湿度增大，并在乱流作用下水汽凝结而形成的。

（二）中云

中云：高层云、高积云两属。

中云是由微小水滴、过冷水滴或者冰晶、雪晶混合而组成。中云的云底高度一般在2500～5000米之间。高层云在夏季多出现降雨，而在冬季多出现降雪。高积云较薄时不会出现降水，但在高原地区的高积云出现雨（雪、幡）。

1、高层云 As

高层云是灰色或灰白色的云幕。云层较厚多在1500～3500米之间，云底部常出现条纹结构，一般高层云可部分或全部布满天空。

高层云多由直径5～20微米的水滴、过冷水滴和冰晶、雪晶（柱状、六角形、片状等）混合组成。

透光高层云 As tra云层较薄，厚度均匀，但云层顶部起伏不平。云层呈灰白色，透过云层可观测到比较模糊的日月轮廓，好似隔了一层毛玻璃。

蔽光高层云 As op 云层较厚，但比较均匀，顶部不平，云底呈灰色或深灰色，底部可观测到明暗相间的条纹结构，由于云层很厚，在地面观测不到太阳和月亮。

2、高积云 Ac

高积云体较小，个体分明，云的厚薄、形状不相同，薄的云体呈白色，可观测到日月轮廓，厚的云体呈暗灰色，日月轮廓看不清楚。

高积云的形状多呈扁圆形，瓦块状，鱼鳞片或波状的密集云条。在天空分布常密集成行或波状排列，云块的视角宽度为1°～5°。

高积云是由微小水滴或过冷水滴与冰晶混合组成。每当日、月透过薄的高积云时、常常观测到由于高积云中的微小水滴或冰晶对光的衍射而形成内蓝外红的光环又称为华。

高积云是在高空逆温层下面，冷空气处于饱和条件下而形成的。云体不厚，比较稳定，很少变化，预示晴天，农谚“瓦块云，晒煞人”，“天上鲤鱼斑，晒谷不用翻”，即指这种高积云出现后，将是晴天。如果高积云的厚度继续增厚，并逐渐融合成层，即将显示天气将有变化，甚至会出现降水。

透光高积云 Ac tra云体较薄，呈白色，在天空中整齐地排列，云体之间有缝隙，可见蓝天，有时云体之间如无缝隙，边缘也比较明亮，透过云体边缘，可分辨出日、月位置。

蔽光高积云 Ac op云体较厚，呈暗灰色，云体已融合成层，日月部分不能辨认，有时会出现微量降水。

荚状高积云 Ac lent云体中间厚边缘薄，云体中间呈暗灰色，边缘呈白色，轮廓分明，一般呈豆荚或椭圆形，孤立分散在天空。每当荚状云遮挡日月光线时，即出现美丽的虹彩。

荚状高积云是测站附近山地影响气流形成的驻波作用下而生成，多出现在晴朗有风的天气。

积云性高积云 Ac cug云块有大有小，呈灰白色，中间稍厚，顶部略有拱起的特征。它是由衰退的积云或积雨云扩展演变而生成的。这种云的出现，预示着天气逐渐趋于稳定。

絮状高积云 Ac flo 云块大小不一，带有积状云外形的高积云团，云团下部比较破碎，很像破碎的棉絮团，分散在天空，高度也不相同呈灰白色或灰色，可出现雪幡。

絮状高积云是高空潮湿气层很不稳定、有强乱流混合作用而形成的。有的地区出现这种云，预示将有雷雨天气。农谚“朝有破絮云，午后雷雨属临”的说法。

堡状高积云 Ac cast 高积云呈水平条状分布在高空，顶部有多处向上凸起很像城堡，也有的像锯齿的形状。这种云出现预示着将有不稳定的雷阵雨天气，农谚“城堡云淋死人”。

（三）高云

高云：卷云、卷层云、卷积云三属。

高云是由微小的冰晶组成。云底高度一般在5000米以上，而高原地区较低。高云出现降水较少，冬季北方的卷层云密卷云有时也会降雪，偶尔也能观测到雪幡。

此外，在云物理学上还有其它分类方法，如根据云的微结构分类(水云、冰云和冰水混合云)；根据云体温度分类(暖云和冷云); 根据云的动力学特征分类(层状云、对流云和波状云)等。

对于和雷电有相关关系的云，是以积雨云为主的。积雨云（cumulonimbus，cb）属于低云族。当形成浓积云之后，若空气对流运动继续增强，云顶垂直向上发展更加旺盛，达到冻结高度以上，原来浓积云的花椰菜状的云顶开始冰晶化，它的明显而清晰的边缘轮廓开始在某些地方变得模糊，此时就进入积雨云阶段。

积雨云臃肿庞大，云顶有丝缕状冰晶结构，顶部常扩展成砧状或马鬃状。云底阴暗混乱，起伏明显，有时有悬球状结构，偶有龙卷产生。由水滴和冰晶构成，为混合云。云底高度一般约在400～l000米，在潮湿地区出现的高度通常比在干燥地区低近一半；冬季寒冷地区约4500米，夏季温暖地区约18,000米；积雨云云顶很高，可达对流层顶(距地面达8000～12000米)。

全球除了南北两极以外的地区，均可产生积雨云。大多在温暖潮湿的地面上空、山区上空以及在热带海洋上空，都会形成积雨云。

积雨云几乎都会形成降水，包括雷电、阵雨、阵性大风及冰雹等天气现象，甚至会发生龙卷风，在特殊地区，还会产生强烈的外旋气流——下击暴流。这是一种可以使飞机遭遇坠毁灾难性的气流。

积雨云分两种：秃积雨云和鬃积雨云。

积雨云是对流云发展到极盛阶段，常产生较强的阵性降水，并伴有大风、雷电等现象，有时还出现强的冰雹（此时叫冰雹云）。

积雨云不仅仅属于低云族，当它充分发展时它有几千米的厚度。积雨云的导电率在云的各分类里面是最好的。

三、介质击穿

云中积电，经介质的电移动，就产生雷电现象了。以下我们就讨论雷电的电介质情况。

（一）电介质物理学

电介质的特征是以正、负电荷重心不重合的电极化方式传递或记录（存储）电的作用和影响；在其中起主要作用的是束缚电荷。电介质物理主要是研究介质内部束缚电荷在电或和光的作用下的电极化过程，阐明其电极化规律与介质结构的关系，揭示介质宏观介电性质的微观机制，进而发展电介质的效用。电介质物理也研究电介质绝缘材料的电击穿过程及其原理。

实际上金属也具有介电性质；但金属的介电性是来源于电子气在运动过程中感生出虚空穴（正电荷）所引起的动态屏蔽效应。因其基本上不涉及束缚电荷，故不把金属的介电性列入电介质物理研究的范畴。电介质有气体的、液体的和固体的，分布极广。

电极化过程的基本过程有三：①原子核外电子云的畸变极化；②分子中正、负离子的（相对）位移极化；③分子固有电矩的转向极化。在外界电场作用下，介质的介电常数 ε是综合地反映这三种微观过程的宏观物理量；它是频率 ω的函数ε(ω)。只当频率为零或频率很低（例如1千赫）时,三种微观过程都参与作用，这时的介电常数ε(0)对于一定的电介质而言是个常数，通称为介电常数，这也就是静电介电常数εs或低频介电常数。随着频率的增加，分子固有电矩的转向极化逐渐落后于外场的变化；它是由于电极化过程追随不上外场的变化而引起的。实部随着频率的增加而显著下降，虚部出现峰值。当频率进入到红外区，分子中正、负离子电矩的振动频率与外场发生共振时；过此以后，正、负离子的位移极化亦不起作用了。在可见光区,只有电子云的畸变极化在起作用了，这是正常色散。

固态电介质分布很广而因具有许多可供利用的性质如电致伸缩、压电性、热电性和铁电性等，引起了广泛的研究，但过去多限于讨论它们的宏观性质。当前固态电介质物理的研究重点，还在于研究无机电介质材料的机电、电光和铁电等性质。

介电击穿过程很复杂，除与物质本身性质有关外还与样品厚度、电极形状、环境温度、湿度和气压、所加电场波形等有关。实验数据很分散，各种理论模型只能分别在一定范围内说明问题。有三种类型的介电击穿。

①热击穿电极间介质在一定外加电压作用下，其中不大的电导最初引起较小的电流。电流的焦耳热使样品温度升高。但电介质的电导会随温度迅速变大而使电流及焦耳热增加。若样品及周围环境的散热条件不好，则上述过程循环往复，互相促进，最后使样品内部的温度不断升高而引起损坏。在电介质的薄弱处热击穿产生线状击穿沟道。击穿电压与温度有指数关系，与样品厚度成正比；但对于薄的样品，击穿电压正比于厚度的平方根。热击穿还与介质电导的非线性有关，当电场增加时电阻下降，热击穿一般出现于较高环境温度。在低温下出现的是另一种类型的电击穿。

②电击穿又称本征击穿。电介质中存在的少量传导电子在强外电场加速下得到能量。若电子与点阵碰撞损失的能量小于电子在电场加速过程中所增加的能量，则电子继续被加速而积累起相当大的动能，足以在电介质内部产生碰撞电离，形成电子雪崩现象。结果电导急剧上升，最后导致击穿。1935年，A.R.希佩尔最先提出电子碰撞电离概念。后来，H.弗罗利希等人曾对击穿场强作过定量计算。开始击穿时电子所须具有的能量称为击穿判据。

③化学击穿电介质中强电场产生的电流在例如高温等某些条件下可以引起电化学反应。例如离子导电的固体电介质中出现的电解、还原等。结果电介质结构发生了变化，或者是分离出来的物质在两电极间构成导电的通路。或者是介质表面和内部的气泡中放电形成有害物质如臭氧、一氧化碳等，使气泡壁腐蚀造成局部电导增加而出现局部击穿，并逐渐扩展成完全击穿。温度越高，电压作用时间越长，化学形成的击穿也越容易发生。

以上各种击穿类型有时是某一种占主要，有时是几种原因的叠加。在击穿过程中也可出现不同类型的变化。研究电介质击穿有重要的科学意义和实用价值。它涉及材料的物质结构、杂质缺陷、能带结构、强场下的载流子输运过程、弛豫机制以及电子与声子、电子与电子间的相互作用等。

（二）介质击穿

加在电介质上的电场强度超过某一临界值时，有电介质的绝缘性能完全丧失的现象。介质击穿时，通过介质的电流集中于细小的通道流过。固体电介质击穿时，击穿通道的高密度电流常使材料发生不可逆的破坏。气体电介质击穿和液体电介质击穿时，往往出现电火花，甚至电弧，但外电压去除后，绝缘性仍可恢复。

击穿是电介质的基本性能之一，标志着它在电场作用下保持绝缘性能的极限能力，是决定电力设备、电子元器件最终使用寿命的重要因素。介质击穿电压的大小与材料的组成、厚度、环境条件及电极形状、布置等有关。均匀电场下，单位厚度电介质的击穿电压(MV/m)称为电介质击穿场强，又称介电强度。一些常用电介质在室温下的介电强度如表所示。

电介质的击穿电压随电极面积增大而降低的现象。在均匀或接近均匀的电场中，例如对薄层的固体或液体电介质，当电极面积增加时，电介质中出现缺陷、液体电介质中杂质形成小桥以及电极表面粗糙形成局部场强增强点的概率增大，因而击穿电压下降。在稍不均匀电场中，因放电由电崩阶段转入流注阶段时电子崩的长度很小，因而它的击穿也具有面积效应，即当电极面积增加时，因电极表面严重突出物和其他缺陷出现的概率也大，因而击穿电压下降。

（三）气体介质击穿

气体介质在电场作用下发生碰撞电离而导致电极间贯穿性放电的现象。气体介质击穿与很多因素有关，其中主要的影响因素为作用电压、电极形状、气体的性质及状态等。气体介质击穿常见的有直流电压击穿、工频电压击穿、冲击电压击穿、高气压电击穿、高真空电击穿、负电性气体击穿。

直流电压作用下的气体介质击穿。可分为以下两种。

①在电极间电场是均匀的情况下，气压低于1大气压（约0.1兆帕）时,间隙击穿电压服从于帕邢定律。

②在极不均匀电场的情况下，如棒－板电极的间隙，击穿场强大为降低，并且还会出现极性效应。引起极性效应的原因是由于正离子比电子运动慢很多，在间隙中形成正极性空间电荷，改变了电场分布而引起不同的放电发展过程。

工频电压击穿工频交流电压作用下的气体介质击穿。在均匀电场的间隙中，工频击穿电压和直流击穿电压相等。在极不均匀电场的间隙中（如棒－板间隙），击穿总是发生在棒电极处于正极性的状态，因而交流击穿电压幅值与正极性棒对负极性板间隙的直流击穿电压相近。

冲击电压击穿冲击电压作用下的气体介质击穿现象。冲击电压可分两类：一类是雷电冲击电压，其标准波形为1.2/50，是模拟雷闪放电时造成的雷电过电压；一类是操作冲击电压，标准波形为250/2500或波前时间为2000～3000的衰减振荡波，为模拟开关操作或系统故障时产生的操作过电压。由于冲击击穿电压有随机分散性，一般取50％概率的数值。由于作用时间的影响，操作冲击电压下间隙击穿电压比雷电冲击电压下的低。而在一些高功率脉冲装置产生的几十纳秒脉冲电压下，间隙击穿电压则高得多。

高气压电击穿由于气体压力与气体密度成正比，因而气压将直接影响电子的自由程，从而影响电离和击穿。帕邢定律表明,在相同的间隙距离下,提高气体压力可提高其击穿电压。然而高气压下气体介质击穿的机理与汤森理论有很大差异。高气压电击穿有以下特点：①超过一定气压Pc之后（各种气体的Pc值不同，例如SF6的Pc约在6kg/cm2 以上），击穿电压有较大的分散性。经过多次放电之后(一般称“锻炼”)，击穿电压值渐趋稳定。但即使在锻炼之后，偶尔也会出现很低的击穿电压。②阴极材料对击穿电压有影响。阴极材料的结构，例如有无杂质，单晶或多晶，是否有位错等，也会影响击穿电压的大小。③电极表面状态的影响。电极表面加工及清洁程度对击穿电压有作用。如电极经抛光、除油等处理后，击穿电压比处理前高。④电极面积增大，击穿电压将有所降低。⑤气体中若含有水气及悬浮尖埃等杂质，则会降低击穿电压。因此所充气体应经过净化处理。

高真空电击穿由于高真空状态下气体密度减少到很小的程度,电子或离子的自由程将很长，以致在间隙中不易发生碰撞电离，因此间隙的击穿电压将会很高（帕邢定律的左半支曲线）。某些设备高真空间隙的击穿场强可高达1.3MV/cm。影响真空间隙击穿过程有许多因素，如真空度、间隙距离、电极材料、电极状态、电压作用时间等。

负电性气体击穿六氟化硫、氟利昂、四氯化碳等许多种卤化物气体的击穿现象。这些气体的击穿场强比空气的高。其主要原因是卤族元素具有很强的负电性,易于吸附电子形成负离子，而负离子的运动速度远小于电子，很容易和正离子发生复合，使气体中带电质点减少，因而放电的形成和发展比较困难。

（四）气体放电

干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为电的导体。这时如在气体中安置两个电极并加上电压，就有电流通过气体，这个现象称为气体放电。依气体压力、施加电压、电极形状、电源频率的不同，气体放电有多种多样的形式。主要的形式有暗放电、辉光放电、电弧放电、电晕放电、火花放电、高频放电等。20世纪70年代以来激光导引放电、电子束维持放电等新的放电形式，也日益受到人们的重视。

气体放电的基本物理过程是由一些基本过程构成，这些基本过程是：激发、电离、消电离、迁移、扩散等。基本过程的相互制约决定放电的具体形式和性状。

荷能电子碰撞气体分子时，有时能导致原子外壳层电子由原来能级跃迁到较高能级。这个现象，称为激发；被激发的原子，称为受激原子。要激发一个原子，使其从能级为E1的状态跃迁到能级为Em的状态,就必须给予(Em-E1)的能量；实际上，即使电子能量等于或高于激发能量，碰撞未必都能引起激发，而是仅有一部分能引起激发。引起激发的碰撞数与碰撞总数之比，称为碰撞几率。

受激发后的原子停留在激发状态的时间很短暂（约为10-6秒），便从能量为Em的状态回复到能量为E1的正常状态,并辐射出能量的光量子。气体放电时伴随有发光现象，主要就是由于这个原因。

当受激原子尚未回到基态时，如受到电子的再次碰撞就可能转入更高的激发态。这种由多次碰撞往高能级激发的现象称为累积（逐次）激发。

电子与原子碰撞时，若电子能量足够高，还会导致原子外壳层电子的脱落，使原子成为带正电荷的离子。与激发的情况类似，电子的动能必须达到或大于某一数值eVi，碰撞才能导致电离。Vi称为电离电位，其大小视气体种类而定。同样，即使能量高于电离能，碰撞也仅有一部分能引起电离。引起电离的碰撞次数与总碰撞次数之比，称为电离几率。如果受激原子由于电子再次碰撞而电离、则称为累积（逐次）电离。

在气体放电中还有一类重要的电离过程，即亚稳原子碰撞中性分子使后者电离的过程。这种过程只有在亚稳原子的亚稳电位高于中性分子的电离电位（如氖的亚稳原子碰撞氩原子）时才可能出现。这个过程称为潘宁效应。

在电场作用下,带电粒子在气体中运动时，一方面沿电力线方向运动，不断获得能量；一方面与气体分子碰撞，作无规则的热运动，不断损失能量。经若干次加速碰撞后，它们便达到等速运动状态。系数K称为电子（离子）迁移率。对于离子，K是一个常数；对于电子，它并不是一个常数,而与电场强度E有关。

多种带电粒子同时存在于气体时，扩散现象变得复杂。其中特别重要的一种情况是电子、正离子浓度相等（即等离子体）的情况，这时出现所谓双极性扩散。这是两种异号带电粒子相互牵制的扩散，其基本特征是：电子由于质量小、扩散得较快；离子由于质量大，扩散得较慢。结果电子走在前方，于是两种电荷间出现一个电场（约束电场），这电场牵引正离子使它跟上去。两种带电粒子的扩散速率始终一致，但电子总是在前方，离子则在其后。

最早研究的气体放电形式是低气压（1～100帕）直流放电，即在气体中置入两个电极，通以直流电压而得到的放电。为使电流不致过大，回路中串联一个电阻（即限流电阻）。若将电源电压逐渐提高，通过气体的电流就随之增大。当极间电压提高到us时，电流突然急剧增加，放电变为明亮的形式，这称为着火，也称为击穿。着火之后，放电转入自持放电，在开始一段（SB段）为正常辉光放电，极间电压比着火前为低，且其数值不随电流增大而变化，呈现恒定电压特性。当电流增大到某一数值（B点）时，极间电压又随电流而增大，这一段（BE段）属异常辉光放电。电流增大到E点时就转入电弧放电，此时极间电压将随电流增大而下降，呈现出负阻特性（ECDF段）。

汤生理论的物理描述是：设外界催离素在阴极表面辐照出一个电子，这个电子向阳极方向飞行，并与分子频繁碰撞，其中一些碰撞可能导致分子的电离，得到一个正离子和一个电子。新电子和原有电子一起，在电场加速下继续前进,又能引起分子的电离，电子数目便雪崩式地增长。

放电中产生的正离子最后都抵达阴极。正离子轰击阴极表面时，使阴极产生电子发射；这种离子轰击产生的次级电子发射，称为r过程。r过程使放电出现新的特点，这就是：r过程产生的次级电子也能参加繁流。如果同一时间内，由于r过程产生的电子数，恰好等于飞抵阳极的电子数，放电就能自行维持而不依赖于外界电离源，这时就转化为自持放电。

气体的着火电压取决于一系列因素。1889年，L.C.帕邢发现，对于平行平板电极系统，在其他条件相同时，着火电压是气体压力p与电极距离d乘积的函数，通称为巴邢定律。

辉光放电各区域中最早被利用的是正柱区。正柱区的发光和长度可无限延伸的性质被利用于制作霓虹灯。作为指示用的氖管、数字显示管，以及一些保护用的放电管，也是利用辉光放电。在气体激光器中，毛细管放电的正柱区是获得激光的基本条件。近代微电子技术中的等离子体涂覆、等离子体刻蚀，也是利用辉光放电过程。从正柱区的研究发展起来的等离子体物理，对核聚变、等离子体推进、电磁流体发电等尖端科学技术有重要意义。辉光放电中的负辉区，由于电子能量分布比正柱区的为宽，近年来被成功地用于制作白光激光器。

如将辉光放电的限流电阻减小，则放电电流增大，并转入电弧放电。电弧放电的特点是电流密度大而极间电压低，其自持依赖于新的电子发射机制，即热发射和冷发射。热发射是因正离子轰击阴极出现局部高温而产生的；冷发射则是因阴极表面存在局部强电场而引起的。前者称为热电子电弧，后者称为冷阴极电弧。作为强光源的碳极电弧就是热电子电弧；电力工业用的汞弧整流管则利用冷阴极电弧。

火花放电是在电源电压较高，足以击穿气体，但电源功率不够大，不能维持持续放电时产生的一种放电。它仍然是一种自持放电，但瞬即熄灭，待电源电压恢复后，又重新放电。放电时电极间有丝状火花跳过电极空间，其路程则是随机的。自然界中的雷电，是一种大范围的火花放电，但在火花放电之前大多先出现电晕放电。

火花放电的过程比汤生放电还要迅速。关于这种放电的理论，较为成功的是条带理论。这种理论认为：在强电场作用下，由外界催离素所产生的某一个电子，向阳极运动时将引起强烈的电离及激发，并形成电子繁流。这种单个电子形成的繁流称为负条带。形成负条带的同时，出现强烈的短波辐射，在空间引起光电离；光电离产生的光电子，又能发展成一些较小的负条带。当条带较多时，便汇成一个强大的负条带，迅速向阳极飞去。详细的分析表明，还存在从阳极飞往阴极的条带，即正条带。正负条带造成两电极间的导电通路，使强大的电流脉冲得以通过气体，这就是火花放电的着火。

最简单的脉冲放电是由一电容储能电路击穿一个火花隙而得到的；放电装置则串接在火花隙中，火花隙击穿时装置中亦就得到了脉冲放电。

脉冲放电的过程，可以分成三个阶段：①脉冲形成阶段，即火花隙间加上电压，气体电离及击穿并使放电充满整个装置；②维持阶段，此时电容器中的能量继续通过放电通道，放电空间出现强烈的电离和激发；③放电熄灭阶段，即随着电容器上电压的降低，放电逐渐衰弱，最后不能自持时，放电就自行熄灭。

四、闪电的成因

雷暴时的大气电场与晴天时有明显的差异，产生这种差异的原因，是雷雨云中有大量电荷的累积并形成雷雨云对大地的电极性，由此产生闪电而造成大气电场的巨大变化。但是雷雨云对大地的电是怎么来的呢? 也就是说，雷雨云中有哪些物理过程导致了它的起电?为什么雷雨云中能够累积那么多的电荷并形成有规律的分布?

前面我们已经讲过，雷雨云形成的宏观过程以及雷雨云中发生的微物理过程，与云的对地电压有密切的联系。科学家们对雷雨云的起电机制及电荷有规律的分布，进行了大量的观测和实验，积累了许多资料并提出了各种各样的解释，有些论点至今也还在争论。归纳起来，云的起电机制主要有如下可能：

（一）对流云初始阶段的“离子流”假说

大气中总是存在着大量的正离子和负离子，在云中的水滴上，电荷分布是不均匀的：最外边的分子带负电，里面云层带正电，内层与外层的电位差约高0.25伏特。为了平衡这个电位差，水滴必须“优先’吸收大气中的负离子，这样就使水滴逐渐带上了负电荷。当对流发展开始时，较轻的正离子逐渐被上升气流带到云的上部；而带负电的云滴因为比较重，就留在下部，造成了正负电荷的分离。

（二）冷云的电荷积累

当对流发展到一定阶段，云体上升到0℃层以上的高度后，云中就有了过冷水滴、霰颗粒和冰晶等物体。这种由不同相态的水汽凝结物组成且温度低于0℃的云，叫冷云。冷云的电荷形成和积累过程有如下几种：

1、冰晶与霰粒的摩擦碰撞起电

霰粒是由冻结水滴组成的，呈白色或乳白色，结构比较松脆。由于经常有过冷水滴与它碰撞，并释放出潜热，故它的温度一般要比冰晶来得高点。在冰晶中含有一定量的自由离子(OH-或H+)，离子数随温度升高而增多。由于霰粒与冰晶接触部分存在着温差，故高温端的自由离子必然要多于低温端，因而离子必然从高温端向低温端迁移。离子迁移时，较轻的带正电的氢离子速度较快，而带负电的较重的氢氧离子(OH-)则较慢。因此，在一定时间内就出现了冷端H+离子过剩的现象，这就造成了高温端为负，低温端为正的电极化。当冰晶与霰颗粒接触后又分离时，温度较高的霰粒就带上了负电，而温度较低的冰晶则带正电。在重力和上升气流的作用下，较轻的带正电的冰晶集中到云的上部，较重的带负电的霰颗粒则停留在云的下部，因而造成了冷云的上部带正电而下部带有负电的现象。

2、过冷水滴在霰粒上碰撞冻起电

在云层中有许多水滴在温度低于0℃时仍不冻结，这种水滴叫过冷水滴。过冷水滴是不稳定的，只要它们被轻轻地震动一下，马上就会冻结成冰粒。当过冷水滴与霰粒碰撞时，会立即冻结，这叫撞冻。当发生撞冻时，过冷水滴的外部立即冻成冰壳，但它内部仍暂时保持着液态，并且由于外部冻结释放的潜热能传到内部，其内部液态过冷水的温度比外面的冰壳来得高。温度的差异使得冻结的过冷水滴外部带正电，内部带负电。当内部也发生冻结时，云滴就膨胀分裂，外表皮破裂成许多带正电的小冰屑，随气流飞到云的上部，带负电的冻滴核心部分则附在较重的霰粒上，使霰粒带负电并停留在云的中、下部。

3、水滴因含有微量的盐分而起电

除了上述冷云的两种起电机制外，还有人提出了由于大气中的水滴含有微量的盐分而产生的起电机制。当云滴冻结时，冰的晶格中可以容纳负的氯离子(Cl-)，却排斥正的钠离子(Na+)。因此，水滴已冻结的部分就带负电，而未冻结的外表面则带正电(水滴冻结时，是从里向外进行的)。由水滴冻结而成的霰粒在下落过程中，摔掉表面还来不及冻结的水分，形成许多带正电的小云滴，而已冻结的核心部分则带负电。由于重力和气流的分选作用，带正电的小滴被带到云的上部，而带负电的霰颗粒则停留在云的中、下部。

（三）暖云的电荷积累

上面讲了一些冷云起电的主要机制。在热带地区，有一些云层整个云体都位于0℃以上区域，因而只含有水滴而没有固态水粒子。这种云叫做暖云或“水云”。暖云也会出现雷电现象。在中纬度地区的雷暴云，云体位于0℃等温线以下的部分，就是云的暖区。在云的暖区里也有起电过程发生。

在雷雨云的发展过程中，上述各种机制在不同发展阶段可能分别起作用。但是，最主要的起电机制还是由于水滴冻结造成的。大量观测事实表明，只有当云顶呈现纤维状、丝缕状结构时，云才发展成雷雨云。飞机观测也发现，雷雨云中存在以冰、雪晶和霰颗粒为主的大量云粒子，而且大量电荷的累积即雷雨云迅猛的起电机制产生效果，必须依靠霰粒生长过程中的碰撞、撞冻和摩擦等过程才能发生。

总之，以上各种闪电积电成因，都存在着实验室再现困难。

五、雷电的放电形式

雷电的放电形式对我们理解雷电的成因也许很重要，我们把它们列举描述如下。

（一）云中放电(in-cloud lightning)

在0℃层以上，即空气温度下降到冰点的高度以上，云内的液态水变成冰晶和过冷却水滴(达0℃却来不及凝结就落下的水滴)。由于空气的密度不同，造成了空气对流，在这些水滴或冰晶摩擦碰撞的过程中产生电荷。如云内出现两个足够强的相反电位，带正电的区域就会向带负电的区域放电，结果就产生了云内闪电(in-cloud lightning)或云间闪电(cloud-to-cloud lightning)。风暴细胞内八成的放电过程属于这种类型。

（二）雷云地之间放电（cloud-to-ground lightning）

这是最广为研究的类型，主要是因为它们对人们的生命财产有极大的威胁性。

在一次正常的闪电前，云里的电荷分布是这样的：在底部是较少的正电荷，在中下是较多的负电荷，在上部是较多的正电荷。闪电由底部和中下部的放电开始。电子从上往下移动，这一放电由上向下呈阶梯状进行，每级阶梯的长度约为50米。两级阶梯间约有50微秒的时间间隔。每下一级，就把云里的负电荷往下移动一级，这称为阶梯先导(stepped leader)，平均速率为1.5×105米/秒，约为光速的两千分之一，半径约在1到10米，能传递大约五库仑的电量至地面。当阶梯先导很接近地面时，就像接通了一根导线，强大的电流以极快的速度由地面沿着阶梯先导流至云层，这一个过程称为回击，约需70微秒的时间，约为光速的三分之一至十分之一。典型的回击电流强度约为一至两万安培。如果云层带有足够的电量，又会开始第二次的阶梯先导。

电雷击又分为负电雷击（negative stroke）及正电雷击（positive stroke），也就是由云层往地面传下来的是正电荷。正雷电击的发生概率比负电雷击小，但携带的电量会比负电雷击大，曾测量到的最大值为300库仑。正电雷击通常只有一击，有第二击的正电雷击相当少见（因为云层内靠近地面的正电荷较少）。

和闪电相关的还有蓝色喷流(BLUE JET)、红色精灵(red sprit)和极低频的电波，而蓝色喷流是云顶与电离层之间的放电现象之一，被视为是云对地面闪电同等地位的反向高空闪电，它和另一种高空放电现象“红色精灵”有非常大的差别，蓝色喷流持续发光平均时间约零点三秒，比红色精灵要长约二十倍，另外蓝色喷流可以很明显看出发光的喷流从云层中向高空喷出，与红色精灵是在高空发光，没有喷射现象完全不同。此外闪电会把范艾伦辐射带(Van Allen radiation belt)清出安全狭槽，所以一般卫星都最好飞行在此区域，比较不易遭受放射线的破坏。而有科学家们认为，闪电一般只有百万伏特，是不能穿过大气（绝缘体），但发现宇宙射线会破坏大气分子产生X射线外，还会让大气变得较易导电，所以闪电发生和宇宙射线也有关。

§5 水气摩擦产生闪电困难

闪电主要是云团中和对地面的放电现象，但是带电云团中的电是怎么产生的？这在很大程度上许多人认为还是一个迷，一些关于云团生电的说法并不能令人信服，其中有几种以讹传讹的说法，什么摩擦生电、温差生电、离子流生电、宇宙射线生电、冰冻生电等等，都没有什么有力的实验证据，也没有多少说服力。以人们现有的理论知识的不可理解，最重要的还是没有相对应的实验验证来对待这些说法。

云层中有电位差的存在，这是一个不争事实，人类最早对电的认识来源于摩擦生电。大概富兰克林当年也是这样认为的，云里的电是摩擦产生的。但是在科学进步的今天，我们天天在和电打交道，我们接触的巨大电力又有多少是摩擦产生出来的电呢？

现在我们许多的教科书，都还是这样去阐述，云层中的电是摩擦产生的。因为我们没有新的理论去替代它，尽管我们在实验室里得不到这样的结果。那些所谓的科普作家们和一些小学的老师们，既然这些说法没有详实的证据，没有实验验证，没有理论能进行严谨的推敲，为什么还要告诉学生这些不可信的虚假说法？只是因为他们无法给出另外的说法来代替现存的说法。

关于闪电的形成，科普读物和教科书里的常规解释是：闪电是被禁闭在一个导电区域内的电荷的释放。积雨云中的冰晶颗粒相互碰撞，产生了电场。积雨云云底通常携带负电荷，这些负电荷的积聚，使地面感应出相应的正电荷。当云体与云体间、云体内部、云体与地面或者云体与空气间的电势能差达到一定程度时，两者之间的空气被电离，成为可导电的区域。电能就在云层和地面之间，或者在带有相反电荷的云层之间释放，形成闪电。

但是，这种解释不大能够成立：空气只有在电场强度达到约2500千伏/米时，才会出现自发电离现象。几个世纪以来，人们用了一些十分危险的方法，诸如利用风筝、气球和飞机等，来测量积雨云层中的电场强度。但是，人们一直没有探测到积雨云中的电场强度能够达到使空气分子电离的程度，所测量到的典型的电场强度不过是100～400千伏/米，也只有所需电场强度的十分之一而已。

人们对此解释说，研究人员只是没有测到电场强度最高的小块区域。比如，在北美中部广阔的大平原上空，积雨云可达到10千米厚，面积可达10万平方千米。即使相对较小的积雨云，其面积也有2500平方千米。所以，强电场区域有可能存在于检测设备远远达不到的地方。不过，现在越来越多的人认为，之所以没有观测到强电场区域，是因为这种区域根本不可能存在。

据有关记载，雷电电流的平均强度大约是20000安培，雷电电压大约是10万亿伏，每一次雷电时间大约是0.0001 秒。根据公式P=IU，可以算出雷电的功率为：

P=20000 安×109伏=2×1013伏·安=2×1010千瓦=200亿千瓦

它比目前世界上最大的水电站的功率还要大2000 多倍。

世界上平均每秒大约发生至少100 次以上的雷电现象。因此，每年雷电产生的总电能大约是：

2×1010千瓦×10-3×3600×365×100/3600=1.75×1013 度

假如每度电以0.2 元计算，那么全世界一年中雷电的价值是：

1.75×1013×0.2=3.5×1012 元=3.5 万亿元

多么巨大的能量呀！靠云层中水汽的相互运动，就能产生这样大的能量，这些都是令人不可思议的事情。

§6 为什么冬天没有雷和闪电？

冬季也有降水，可是发生闪和雷的概率却很小。为什么亚热带地区的冬季很少有雷电现象发生呢？有人根据现有的知识给出了解释。

空气极不稳定的时候，容易发生强烈的向上对流运动，而形成高耸的积雨云，云中充满上上下下奔窜的水汽，就会产生静电，云的上端会产生正电荷，云的下端会产生负电荷，地面又是正电荷，那么，正、负电荷之间有空气作为绝缘体，若正、负电荷间的电压差，达到可以冲破绝缘体的空气，使空气在瞬间膨胀爆炸、发热发光，发光就是闪电，膨胀的空气发出巨大声响就是打雷。

雷电是暖湿空气上升、空气上下剧烈对流的结果。春季、夏季因为暖湿气流活跃，空气潮湿，同时太阳辐射强烈，近地面空气不断受热而上升，形成强烈的上下对流，易出现雷电现象。而在冬季，受大陆冷气团控制，空气寒冷而干燥，加之太阳辐射弱，空气不易形成剧烈对流，很少出现雷电现象。

雷暴的产生不是取决于温度本身，而是取决于温度的上下分布。夏天地面温度高，对流比较强烈，容易产生雷暴；冬天的降水，不是强烈的对流降水，比较稳定，但如果上面的温度和下面的温度差，达到一定值时，也能形成水气的强对流，产生雷暴。因为下层空气相对暖和湿，就会产生浮力，破坏大气的稳定性。但是，当出现强烈的暖湿空气北上，遇上冷空气被迫抬升后，也会产生强烈对流，到一定强度就会出现雷电现象，在暖湿气流特别强、对流特别旺盛的情况下，还可以剧降冰雹。

现有理论“积雨云的不同部位聚集着两种电荷碰撞发生打雷现象的认识不够完善”，因为积雨云不是绝缘体，就每一朵积雨云而言其具导电性，不应当出现在积雨云的不同部位聚集成正负两种电荷现象，只要积雨云导电性的存在，正负两种电荷早就中和了。也就谈不上每一朵积雨云带有不同电荷的现象，恰恰相反导电性不好的非积雨的淡云，容易用聚集正负两种电荷理论推理的云，却不发生雷电现象。这样事实和理论就是相矛盾的了。

夏季常见的积雨云，下部温度高，中上部温度低，云中具有强大的上升和下沉气流。云内大量的冰晶、大小水滴、过冷水滴、霰粒(不透明的雪珠)和冰雹等水汽凝成物，通过碰冻、碰撞、破碎和融化等许多复杂的过程，使云中起电并使正、负电荷分离开来，在云中形成正负的荷电中心，当聚集的电量足够大时，异性荷电中心之间就会发生击穿放电而产生火花放电现象和强大的响声，这就是雷电。

雷电开始出现的月份一般从南往北，由东向西逐渐推迟，一般于9～10月份结束。雷电产生的同时还经常伴随有暴雨、大风、冰雹和龙卷风等灾害性天气出现。同时，雷电还有日变化，大陆上雷电一般多出现在白天，集中期在午后到傍晚之间。沿海和西部山区的许多河谷地区，易在夜间出现雷电。雷电出现后，一般持续瞬间多在1～2小时，并且南方地区比北方地区持续时间要长。

而冬季由于受大陆冷气团控制，空气寒冷而干燥，加之太阳辐射弱，空气不易形成剧烈对流，因而很少发生雷阵雨。但有时冬季天气偏暖，暖湿空气势力较强，当北方偶有较强冷空气南下，暖湿空气被迫抬升，对流加剧，就会形成雷阵雨，出现所谓“雷打冬”的现象。气象专家还说，雷暴的产生不是取决于温度本身，而是取决于温度的上下分布。也就是说，冬天虽然气温不高，但如果上下温差达到一定值时，也能形成强对流，产生雷暴。冬打雷在中国很少见，但在加拿大多伦多的冬天就经常出现。

世界上雷雨最多的地方是位于印度尼西亚爪哇岛上的茂物（热带雨林气候），那里平均每年约有322个雷雨日，有“世界雷都”之称。还有一点也是要非常注意的，地球的两极是不会发生雷电的。但是，那里可是地球上空气、水气（冰粒）对流最剧烈的地方。

以下解释可能是笑话了，还有人认为，地表、地下植物腐烂分解释放大量可燃烧气体，从地表面上升到一定的高度，受空气间的磨擦、在压力的作用下，达到一定温度时，某一时刻发生剧烈的化学反应，所产生的能量以爆炸波的形式急剧释放并向四周传播，发出强光，伴有爆炸声，同时还有强大的气流，这一自然现象称为雷电现象。

冬天的气温低，达不到空气中可燃气体爆炸的最低着火点，所以冬天雷电现象少。夏天，太阳直射北半球，地面空气上升剧烈，摩擦速度快，所以更容易使云层带电。还有和我们所处的季风带有关系。

电流在空气中流过需要两个条件，首先云层要积累了大量的电荷，其次放电途径顺畅。下雪不打雷有两个原因，一是下雪多在冬天，而云产生电荷要有上升气流和它的摩擦，冬天少有上升气流，所以电荷积累不多。二是冬天里空气湿度不如夏天，湿润的空气才容易导电，所以冬天的云不容易放电。看来这种解释是他们根本不清楚湿度、温度和云之间的相互关系。

§7 其它行星上的闪电

为了使我们可以真正理解闪电的成因，以下先了解其他行星上闪电的生成和存在条件，它们可以让我们总结出闪电成因的理论基础。

因为闪电需要击穿气体，所以闪电不太在真空的空间里出现。但在其他行星的大气层内亦侦测到过闪电现象，如金星及木星等。人们在卫星数据中了解到，木星上的闪电比地球上的闪电强100倍左右，但是发生频率只有地球上闪电的十五分之一。木星和土星磁场强度比地磁场高的多，大气对流激烈，因而闪电非常频繁，闪电强度要比地球上的闪电强大得多。

从“伽利略”太空船拍摄回来的照片，科学家发现木星上的闪电，是由木星上大规模的气流和低气压造成，显示木星表面有气体对流和下雨的现象。“伽利略”太空船拍摄木星三个地方的闪电情形，让我们相信，闪电所产生的能量相等于三千万个一百瓦特的电灯泡，比地球的闪电要强数百倍。

美国太空网的报道，美国爱荷华大学的研究人员日前在土星上观测到有记录以来最大最强的闪电，释放出的能量是地球上最强闪电的1000倍。暴风雨经过的面积比整个美洲大陆还要大。爱荷华大学的研究人员利用卡西尼太空船上的设备，首次观测到土星上的雷雨闪电。卡西尼太空船到达土星后，见过的最强闪电和最大的暴风雨。飞船记录下了35次连续闪电，每次持续的时间都超过10个小时。

至于金星闪电的具体情况现在还在争论中。在70年代到80年代中前苏联的金星号(Venera)和美国的先驱者的资料显示，在金星的上层大气中发现过闪电，但是卡西尼—惠更斯号(Cassini-Huygens)经过金星的时候却没有发现任何闪电的过程。金星上没有磁场，但是大气很厚，达90个地球标准大气压，还有几十公里厚的硫酸云层，硫酸云层也是电的导体，但是在金星上没有探测到闪电。当“卡西尼”号探测器与“伽利略”号探测器飞过金星、并对其进行探测时，也没有接收到由闪电释放出的电磁波，说明金星那里根本没有闪电。

火星没有磁性，大气稀薄，没有云层，所以没有发现火星闪电。

依据各行星上雷电出现情况的总结：行星雷电的出现与行星磁场和行星大气的具体情况相关。

§8 闪电成因总结

经过以上各节的讨论，在我们的脑海里已经有一个大概的轮廓。闪电是云间颗粒相互作用产生电量的理论，不可靠，因为没有实验基础。闪电是带电云对云层或大地放电的结果，但是对于云层起电的原因，至今仍还没有令人信服的解释。许多有识之士和科学家亦认为地球云层带电的原因应该是来自于地磁场。并且归纳出如下几点：

1、从太阳系行星得来的知识，天体必须具有足够强度的磁场；

2、天体必须有大气并能生成云团，云团要有足够的密度，就是说云团足够稠密，使其成为良好的导体，才能在磁场中起作用；

3、云团要有足够的对地面积，这样在运动中切割磁力线相对较有效；有大的面积和与地面相对较短的距离，依据电容原理，这样才能存储更多的电击能量；

4、云团横向切割磁力线的运动速度要快，也就是说云团的对流要强烈（运动方向与云团里面带电的极性相关）；

5、两团独立的云，因为对地的相对速度不同和对地的距离不同，所以它们之间也是存在电位差的，这种电位差也会产生其间雷电；

6、根据地磁场的特性，赤道圈的地电流是球体的最大电流处（在以后章节处讨论），所以赤道附近发生的雷电现象最多。

依据以上六点我们再来探讨相关的情况。再看到地球雷电现象，以致存在的土星、木星的强雷电现象，我们就不觉的奇怪了。

一、电的成因很多，从已知的物理理论来看，有许多能够产生电位差的方法：化学能电、摩擦生电、磁场发电、光电转换、射线照射反映电、温差发电、生物感应电等，还有其它许多能将电子脱离原子核而产生电位差方法。然而根据物理学的能量守恒定律，所有产生电的方法都不可能无中生有。也就是说，电能产生出来必须要有能量来源。地磁场给雷电提供能源，是各种闪电成因中最为可信的解释方案。

在云中能为其提供能源而产生电位差的不外乎有四种可能：首先是太阳光，但是常识告诉我们普通光线直接照射在水蒸汽上是不能产生电位差的。第二是气体对流，在实验室里我们无法得到不带磁性的蒸汽流体所能发出来的电，在地球上最强对流天气在南北极，那里却没有雷电现象。第三就是温差了，霰粒撞冻起电理论的实质就是一种温差能，云中温差能为强大的雷电现象提供能源，这是谁都不会相信的。第四就是地磁场了，除了它就再也找不到其它的能量的来源了。

雷电每年的能量消耗是特别巨大的，地磁场的能量来源又是谁提供的呢？这个问题我们在以后的章节里面去讨论。

二、根据我们观测到的其它行星体的雷电情况，探讨各星体的具体起电细节：

1、水星和火星虽然有很微弱的地磁场，但是却没有能生成导电云层的浓密大气，所以水星和火星没有雷电现象。

2、金星有非常浓密的大气，也有强对流现象，只是它几乎没有磁场。它是否有雷电现象，还在争论之中（在第八章我们详细讨论），但是就是有的话，也只有在向阳面，是非常难以见到和非常弱的。

3、木星和土星有着非常强大的磁场，也有着非常浓密的气层，但是它的气层是氢的气层和氢、氦的云体。木星和土星的雷电现象要比地球上的现象强烈100倍。但是旧有的地球雷电起因理论在这里是不适用的，因为流动的氢、氦气体也不会摩擦生电。

4、天王星和海王星有强大的磁场和浓密的气层，有雷电现象应该没有问题，只是它们的磁场很奇怪，所以其上的雷电也会很奇怪。

三、电容在雷电现象过程中是个不容忽视的重要因素，没有它的存在，在云层与地面之间就不可能保持强大的电击能量。

电容是一种电气装置，由通过绝缘介质分开的两个导电表面构成。在导电表面上施加电压时，导电表面的电荷分离形成的互引电场。它可以存储电的能量。

用一片塑料包装纸隔开两片铝箔，您可以制成一个简易电容。电容的质量取决于这两片金属箔的大小、塑料纸的绝缘效果以及厚度——两片金属箔靠得越近，电容存储量越高。一个好的大型电容能够轻易存储足以熔化金属的电能。

积雨云与地面之间就像一个巨型电容。云层的底部和大地表面就好比是两片金属箔。云与地面这个电容，可以存储大量的电能量。

四、地球外壳带有电荷，我们在许多自然现象里都可以感觉到它的存在。雷电现象说明了电荷在地球赤道附近的电量最大，随着纬度的增加，电流量越来越小。南北极地表下几乎没有电流流动（有资料显示地球外壳带有50万库仑以上的电荷）。亚热带的地电流与季节相关。地壳中的电与地磁场相关。

本章重点概要