6.3 闪电与雷暴
来源： 考纲 §6 · 课堂笔记 §5.1.5
形成
潮湿空气被太阳加热而上升；高空中水汽凝结 → 形成云。同样的太阳能量也造成云中的电荷分离。
图：雷暴形成——潮湿空气上升，凝结成云，电荷分离，最终云与地面间放电（闪电）。
闪电的阶段
像物理教室的静电起电机（一种靠静电感应/摩擦不断积累高电荷、直到迸出可见火花的装置）一样，电荷不断累积，直到放电。但闪电需要一个触发——仅有电压还不够；最可能是宇宙射线。✎ 为什么要触发？ 空气通常是绝缘体；要让电流通过，必须先让它导电（电离）。高能的宇宙射线提供最初的自由电荷载流子，启动连锁反应（碰撞电离）。
1. 电压累积于云与地面之间。电荷分离使云上下两端聚集异号电荷 → 建立起电压（强电场），直到空气濒临击穿。 2. 先导闪电（离子/等离子通道）——不可见（✎ 此时只流过很小的电流；要让空气发亮，得等主闪电的大电流把它加热），由电离的空气分子组成，像一根电缆：正是这条导电通道开辟道路，让真正的电流得以通过。（它以一小段一小段地试探前进——这正是后面「跳跃行为」的由来。） 3. 主闪电——一旦通道把云和地面连通，巨大的电流便沿这条离子桥猛地往上回流，可见：就是我们看到的那道耀眼「闪电」。
雷声： 由于高温，空气沿闪电通道呈圆柱状爆炸性膨胀——这就是雷声。（✎ 本质上就是静电起电机放电的「啪」声，只是响了无数倍。）
✎ 为什么先看到闪电、后听到雷声？ 光（
m/s）几乎瞬间到达；声音（ m/s）每走 1 km 要约 3 秒。经验法则：闪电与雷声之间的秒数除以 3＝雷暴的距离（km）。（雷声常是隆隆滚动而不只是一声巨响，原因在长闪电通道：通道各段离我们远近不同，声音先后到达——见 §6.4 线声源。）
✎ 电磁波补充： 麦克斯韦（1860）发现：被加速的电荷会发射电磁波；加速度越大，能量越高。闪电中加速度极大，甚至产生 X 射线和伽马射线（深入见光学）。
✎ 题外话——极光（Polarlicht / Aurora）。 太阳风不断把带电粒子（主要是质子和电子）送向地球。地球磁场将这些粒子偏转，并沿磁力线导向两极（故称「极光」）。在高层大气中它们与 N₂、O₂ 分子碰撞、使其激发；分子退激发时再把能量以光的形式放出（绿色与红色）。所以，正是这种磁场对带电粒子的偏转——也是保护我们免受宇宙射线的同一机制（火星任务的「磁屏蔽」正是模仿它）——在天空中化作可见的光。
✎ 题外话——闪电为何能劈裂树却不一定点燃它。 树含水（树干内和树皮下都有）。闪电击中时，巨大的电流在瞬息之间把木材里的水分骤然汽化：水蒸气剧烈膨胀，像爆炸一样把木材从内部炸裂/劈开——树是被力学性地撕开/劈裂的，类似一次爆炸。因此这主要是水汽压造成的机械爆裂，而非燃烧。（本质上就是与雷声相同的爆炸性膨胀，只是发生在固体木材里而非空气中。）
避雷针
装在最高点，优先把闪电引来——✎ 因为在最高、尖锐的金属处电场最强（电荷会聚集在尖端），放电便优先从这里发生。但并非 100% 防护：由于跳跃行为，闪电会分叉、也可能击中别处。