摘要　本文从分子的角度，结合宇宙射线，去解释大气电场与雷电及球状闪电的形成机理，以及如何防范球状闪电对人体及建筑物的伤害。

　　关键词　雷电形成，球状闪电，大气电场

　　1． 引 言

　　绚丽多彩的闪电曾使人类产生无限的遐想，创造了无数的神话故事，神秘莫测的球状闪电还成为创造科幻小说的题材。自从1752年富兰克林发现天上的闪电与电池产生的电流具有相同的性质之后，人们经过二百多年的探索，对雷电的认识不断得到深化，产生了感应起电理论、温差起电理论、大水滴破裂起电理论、冰的融化起电理论等，可是这些理论还是没有搞清形成雷电的本质，而大部分的人还认为雷电是空气摩擦产生的。

　　实际上雷电是由多种条件共同作用的结果，除了与物理条件有关外，还与宇宙射线、大气分子结构、地磁场等都有一定关系。大气电场是产生雷电的基本条件，当气温升高，地表受热，带有电荷的潮湿热空气就能不断上升，由于高空寒冷，水汽就凝结为水珠或冰晶，电荷就能得到聚集，当聚集速度过快来不及释放时，就会在云、雨区产生强电场，这就是形成雷电的本质。球状闪电则是超强放电后产生了一种超强氧化性物质的结果。

　　2．1大气电场形成机理

　　大气电场是产生雷电的初始条件，而宇宙射线（大部分来自于太阳，主要成份为质子和电子）是产生大气电场的基本条件，大气的成分及气温是产生大气电场的第二个条件。

　　干洁大气主要成分（容积百分比）为： N₂（78.084 %）、O₂（20.948 %）、其次为： Ar（0.9342 %）、CO₂（0.032 %）、H₂O等^[4]。其中水汽在大气中变化很大，一般在1%～3%，在热带可达4%，而在两极则不到0.1%，并且绝大部分水汽集中在低层。

　　大气中的N₂ 、Ar分子与宇宙射线中的质子与电子都很难结合在一起，它们都呈电、磁惰性。O₂分子两端有带磁性的空轨道，它能靠磁场力吸引宇宙射线中的电子形成O₂^－离子，只是磁场引力相对电场力要弱得多，所以O₂^－离子的稳定性比较低。

　　H₂O是极性分子，它没有空轨道，所以它不能接受电子，H₂O分子的带负电一端能吸引宇宙线中的质子形成H₃O^＋离子，因为电场引力相对磁场引力要强得多，所以H₃O^＋离子的稳定性要比O₂^－离子高得多。

　　现在地球处在温暖期，O₂^－离子稳定性比较低含量也就低，宇宙射线中的电子大部分都进入地壳，而大气底层的水汽含量比较高，H₂O就能大量截留宇宙射线中的质子，H₃O^＋离子含量自然就高，大气正电荷就超过负电荷，这就是大气电场为什么总是带正电的原因！！！

　　那为什么H₃O^＋离子不被带负电的地面很快的吸引下来？这是因为单个H₃O^＋（分子量18.023）离子比O₂与N₂（分子量分别为28.013、31.9988）分子的质量都小得多，H₃O^＋就受空气的浮力作用，增加正电荷的留空时间，这在晴天时能使地表面大气产生120伏/米左右的电场。当地表温度降低，H₃O^＋与H₂O相互凝结成水珠下沉，会引起大气电场暂时性下降。

　　地面上空随着高度的上升，气温不断的下降，水汽含量自然也下降，H₃O^＋离子含量也跟随着下降。这就是进入高空后，大气电场为什么很快降低的原因！像10公里高空处的电场值仅为地面的3%即约4伏/米。

　　因此大气带正电，地壳带负电的本质，不是内范艾伦辐射带带正电，引起地壳带负电，也不是闪电的反向充电形成的（闪电只将雷云中的正电荷引向地壳，而不是将地壳的正电荷引向雷雨云），而是大气中H₂O分子截流了宇宙射线中的质子形成了H₃O^＋离子的结果。

　　晴天大气电场还与纬度，时间，陆、海面，冬、夏季等有关，这主要是水气含量高低与H₃O^＋离子的上升与下降引起的，与宇宙射线的强度、空气流动速度也有一定关系。

　　当然地面大气中还会产生带正、负电荷的重离子，因为重离子不容易升入高空，因此重离子对雷电的产生贡献不太大。

　　2．2 雷电的形成机理

　　当天气变热，地表面受热温度升高，并且初始风速也很小，有些地方水汽含量就会增加得快一些，引起大气密度降低、气流上升，同时周围的热空气不断填补到上升气流的下部。因为H₂O与H₃O^＋比O₂^－、O₂与N₂质量都小得多，所以H₂O与H₃O^＋比O₂^－、O₂与N₂的上升的速度都要快。

　　当潮湿的热空气进入高空后，由于对流层中、上部气温很低（6km高度时可达－8℃左右），H₂O与H₃O^＋就会凝结为水滴以至冰晶，同时H₃O^＋得到快速富集，雨云聚集区产生正电场，相对重的O₂^－就会被留在云层中下部使云层带负电，这就是打雷时上部云层为什么总是带正电，下部云层总是带负电的道理（见图2 ）！当富集速度过快来不及释放电荷时，就会在云层上中部形成正强电场，下中部形成中等负电场。

　　云层与云层之间的接触放电：

　　当云层之间电势不大并且相互接近时，会在云层之间进行接触放电。云层与云层之间接触放电，是H₃O^＋与O₂^－的直接中和反应，反应接触面积很大，反应产生的能量容易释放，所以云层与云层之间接触放电通常只看到发光而听不到爆炸声，这种放电通常在横向气流偏大的情况下发生。

　　云层与云层之间的远距离放电或云层与地面之间的远距离放电：

　　上云层的正电荷与下云层的负电荷之间的远距离放电，或上云层的正电荷与地面之间的远距离放电，因为电势强大而激发出电流通道。因电流通道相对较小，所以这种放电是爆炸性的。

　　空气中O₂、H₂O、N₂等分子都是电中性，击穿场强也都很高，并且初始电离能分别达到12.2ev、12.5ev、15.8ev^[2]左右，雷云中的电场没有办法使它们电离，雷云下部的O₂^－离子则被正电荷中和掉，同样没办法电离，所以只有大气中H₃O^＋离子里的质子参与导电（这是因为H₃O^＋电离能很低）。因H₃O^＋只占空气成份很小的一部分，先导电流量就比较少，产生光柱也就比较暗淡。因为雷云下部，一般O₂^－离子的含量要比H₃O^＋离子多，当先导电流行进一段距离后正电荷被O₂^－离子中和掉，H₃O^＋含量就会降下来，先导电流就不能前进，放电前端正电荷需要一定时间才能得到补充，所以放电看起来是一节一节地伸向地面的（速度为每秒150公里 ^[3]左右），这就是所谓的“梯级先导”，当“先导”离地面5～50米左右时，地面被强电场激发，引发电子向上回击，引起O₂、H₂O、N₂等分子相继被电离，这时通道里流动得最快的是电子，因电子的质量只有质子的1836分之1，所以回击的速度变得很快，可达5万公里每秒。在很短的时间内，强电场击穿空气后，引起多次强放电——即打雷。打雷后产生的大量等离子体，加快了水汽的快速聚集，引起连锁反应，雷雨会越下越大，直到地面冷却才减弱（龙卷风内放电机理与雷电形成是相同的）。

　　如果潮湿的气流由西向东运动，那么受地磁场的切割作用，正电荷就加快向上移动加速雷电的产生，这就是西北风与西南风时容易打雷，东南风与东北风不容易打雷。但初始风速必须很小，否则不易大量聚集带正电的水汽。

　　2．3 球状闪电的成因

　　 一般的闪电只能产生O₃、NO（NO会很快氧化为NO₂），如果闪电非常强烈时（温度可达28000℃），在超高温的通道内，除了产生O₃、NO外，同时还会产生另外一种化合物N₃（可叫叠氮分子），这是因为空气中的N₂含量占78％，当放电过程中产生O₃、NO后，余下的主要成份就是N₂，N₂在强大的能量作用下就会产生N₃。化学反应可用下式表示：

　　在常温下N₃是的气体，与NO₂差不多的弱磁性，它比O₃略轻，比O₂、N₂都来得重。N₃的分子结构完全不同于O₃，它是直线形分子。如果按电子轨道结构看它与CO₂、HN₃（氢叠氮酸）的结构相似，实际上也就是HN₃脱去1个H原子。由于N₃缺少1个电子，因此是超强氧化剂，它的氧化性与F原子（F₂分解为F还需1.6ev的能量）接近，常温下N₃在空气中能与O₂反应产生NO，NO继续氧化为NO₂，另两个N还原为N₂，同时释放出能量，发出亮光与爆鸣声。当N₃接触到人体、农作物、树枝、烟囱里的烟灰等燃烧物反应产生的能量，会引起N₃分解为N₂的链锁反应，瞬间释放出巨大的能量，这是引起球状闪电爆炸的本质。

　　因此只要人体或其它燃烧物不要碰到它还是安全的，当球状闪电靠近木质或衣服等烧燃物时，可用长铁棒轻轻拨开，因为铁很结实不会与N₃发生爆炸性的反应。只要球状闪电不要碰到燃烧物，它在空气中随着N₃与O₂的反应，N₃最后会漫漫消耗殆尽，即使最后发生爆炸，威力也会大大降低。但人体千万不可碰到球状闪电，否则将是毁灭性。

　　N₃含量高并且含有水汽的球形闪电有可能熔蚀玻璃。当碰到地面、砖墙等无机物产生反弹，这是地面、墙面与N₃发生微量反应产生的气体排斥作用。

　　球状闪电通常是电中性的，即使带电所带的电荷也是很少的，否则它会对任何物体都会有吸引力。球状闪电内的温度也不可能很高，如果是高温发光体，它的密度就很低，这会引起球状闪电快速上升。这也是为什么球状闪电靠近时不会引起物体燃烧，与树枝等物接触时会爆炸的道理。有人发表论文说球形闪电是等离子体储能？要知道在1个大气压下产生辉光等离子（不是弧光、电晕等离子）都有很大难度，不要说悬空稳定保持几分钟连续发光。

　　3． 结论与检验的方法

　　因此大气电场的产生，是大气中的O₂、H₂O分子分别截流了宇宙射线中的电子与质子形成了O₂^－与H₃O^＋离子，因O₂^－稳定性差，含量偏低，H₃O^＋稳定性高，含量偏高，引起正电荷总量超过负电荷而使大气电场带正电。雷电是上升的H₃O^＋与H₂O在高空受冷却作用相互快速凝聚成水滴，集合了大气中大量的正电荷，使局部雨云产生正强电场的结果。球状闪电是超强放电的气团里，产生了含有超强氧化性的N₃气体，N₃与O₂反应发出亮光，与燃烧物接触则会发生爆炸性的反应。

　　架空长导线，用万用表可测出大气中的正电荷，这个正电荷主要来自于H₃O^＋，只有一小部分直接来于高空的质子，因为能进入到地面附近的质子已经很少。

　　实验室里N₃，可在高强度容器（容器要用高强度合金钢制造，内壁要经氟化或氮化处理，电极则要镀上一层TiN膜）内充入1个大气压N₂气经过超强放电产生，因内没有氧气所以不会发光，放电时可直接将NaOH放入钢制容器内测定气体的成份。

　　雷电与球状闪电虽然是神秘的，只要不懈的探索，总会有水落石出的一天。我想凭现在的技术，也能验证上面的说法。

　　参考文献
　　[1] http://www.astron.sh.cn/yiwen/2005/yw050316-lightning.htm 中科院上海天文台．
　　[2] 车云霞，申潘文，《化学元素周期系》 天津，南开大学出版社．1999．
　　[3] http://physics.scnu.edu.cn/gzwl/contents2/3-1/01/b01.htm 华南师大物电学院．
　　[4] http://www.sxgjzx.net.cn/zkwlw/zkwlw/Article_Print.asp?ArticleID=1803转贴