閃電是如何造成的？

天文台網址，有動畫示範
http://www.hko.gov.hk/education/edu01met/wxphe/ele_thunderstormc.htm

１什麼是雷暴？

當一道奪目的閃光突然劃破長空，接著傳來幾聲轟隆巨響，雷暴便發生了。在香港，雷暴常見於春、夏兩季。

２雷暴是怎樣形成的？

雷暴的發展始於溫暖和潮濕的空氣上升。空氣上升的原因很多，例如地面受太陽照射加熱、在低壓槽附近、兩股不同的氣流匯聚或遇上高山而上升等。

當潮濕空氣上升時，空氣中的水分便會遇冷凝結而成為雲。隨著氣流繼續上升，雲層亦發展得越來越高，雲中的水珠也會不斷增長。達到高空時溫度會很低，冰粒也會在雲中形成。當雲頂達到十至二十公里時便形成積雨雲，而雷暴是由積雨雲產生的。

３閃電和雷聲是如何產生的？

由於積雨雲內有急劇的氣流擾動，雲中的水珠和冰粒便會分裂而產生電荷。一般來說，積雨雲的上部帶有正電荷，中下部帶負電荷。當正負電荷之間的電壓到達某程度時，雲與雲之間或雲與地面之間就會出現放電的現象，發出強烈閃光，這就是我們平時見到的閃電。放電時會產生大量熱能，令周圍的空氣急劇膨脹，產生聲音而造成隆隆雷聲。

狂風大雨有時會伴隨著雷暴出現。當積雨雲內的水珠不能被下面的空氣承托時，它們便會降落成雨，而下沉的急速氣流亦會造成狂風。

４如何估計雷暴的距離？

閃電和雷聲是差不多同時發生的，但光在空氣中傳播的速度比聲音快很多，因此人們總是先看到閃電然後才聽到雷聲。雷暴發生的距離大約可從閃電至雷聲的時間差異來估計。可以說，若看見閃電後三秒才聽到雷聲，則雷暴距離觀察者約有一公里。

５大氣層穩定度與雷暴有什麼關係？

簡單來說，一團空氣若較周圍的空氣暖時，該團空氣便會不斷上升。這情況稱為不穩定大氣。不穩定的大氣有利於積雨雲的發展及雷暴的形成。

若空氣團較周圍的空氣冷時，該團空氣便會下降。這情況稱為穩定大氣。空氣在穩定的大氣下並不會被抬升，所以不利於雷暴的發展。

６香港一年中什麼時間最常出現雷暴？

在香港，雷暴通常出現於春季及夏季。每年四月至九月，平均每月約有五天錄得雷暴。

７如何預測雷暴？

香港天文台的預報員利用雷達圖像、衛星雲圖、閃電位置資料及氣象報告來監測雷暴的發展和移動方向。預報員會根據各種預報工具，例如數值天氣預報模式的計算結果及探空氣球所測量到的高空狀況，來預報雷暴。

由於積雨雲內有急劇的氣流擾動，雲中的水珠和冰粒便會分裂而產生電荷。一般來說，積雨雲的上部帶有正電荷，中下部帶負電荷。當正負電荷之間的電壓到達某程度時，雲與雲之間或雲與地面之間就會出現放電的現象，發出強烈閃光，這就是我們平時見到的閃電。

閃電（lightning）是神秘又危險的，並且是具有強大力量的。所以在古老的人類社會中，閃電與打雷(thunder)是人們所懼怕的，而且是與宗教和迷信有著密不可分的關係。古希臘人認為閃電是天神宙斯給予人們的懲罰；而古羅馬人以為打雷是天神用以警告人們的一些不當行為；在古中國則認為雷公專司打雷，其職責是來懲罰為非作歹的人。這些都在說明人們因懼怕而賦予打雷一個裁定善惡功能的期許。
第一個有關閃電的研究是在18世紀中葉由班傑明‧富蘭克林(Benjamin Franklin)所完成的。在此之前的150年，人們已瞭解藉由摩擦兩種不同的物質可將正負電荷分開來，並儲存在簡單的電容器(primitive capacitor)中。提到富蘭克林大家想必聽過他在雷雨中放風箏的故事。經由他冒著生命危險而得出的實驗成果，證實閃電是帶電的，之後許多人在世界各地成功地重複了他的實驗，也因此有人喪生在雷擊之下。富蘭克林在後來的實驗中發現，若將一跟長鐵桿與地面接觸，鐵桿在雷擊之後會靜靜地將雷電導引至地底下去，頂多只出現一些火花。這種現象與其他東西遭雷，實在溫和太多，於是乎有避雷針的發明，使得人們可藉以避免雷擊。雖然如此，人們仍年年因閃電而蒙受巨大損失。在富蘭克林之後，閃電的研究一直沒什麼進展，直到19世紀末，當照相術(photography)和光譜學(spectroscopy)成為閃電研究利器後，人們對閃電才有更進一步的瞭解。

閃電，一般最常發生於雷雲(thundercloud)之中，它是閃電的最大製造者，除此之外，閃電也出現於暴風雪(snowstorm)、沙暴(sandstorm)和位於噴發中火山(erupting volcanoes)之上的雲中；閃電也曾發生於晴朗的藍天，因而有晴天霹靂一詞。無論如何，雷雲與閃電有著最密切關係的。以下本文將逐一介紹雷雲的形成與種類，閃電的過程與閃電產生的光電現象。

一、 前言

閃電（lightning）是神秘又危險的，並且是具有強大力量的。所以在古老的人類社會中，閃電與打雷(thunder)是人們所懼怕的，而且是與宗教和迷信有著密不可分的關係。古希臘人認為閃電是天神宙斯給予人們的懲罰；而古羅馬人以為打雷是天神用以警告人們的一些不當行為；在古中國則認為雷公專司打雷，其職責是來懲罰為非作歹的人。這些都在說明人們因懼怕而賦予打雷一個裁定善惡功能的期許。
第一個有關閃電的研究是在18世紀中葉由班傑明‧富蘭克林(Benjamin Franklin)所完成的。在此之前的150年，人們已瞭解藉由摩擦兩種不同的物質可將正負電荷分開來，並儲存在簡單的電容器(primitive capacitor)中。提到富蘭克林大家想必聽過他在雷雨中放風箏的故事。經由他冒著生命危險而得出的實驗成果，證實閃電是帶電的，之後許多人在世界各地成功地重複了他的實驗，也因此有人喪生在雷擊之下。富蘭克林在後來的實驗中發現，若將一跟長鐵桿與地面接觸，鐵桿在雷擊之後會靜靜地將雷電導引至地底下去，頂多只出現一些火花。這種現象與其他東西遭雷，實在溫和太多，於是乎有避雷針的發明，使得人們可藉以避免雷擊。雖然如此，人們仍年年因閃電而蒙受巨大損失。在富蘭克林之後，閃電的研究一直沒什麼進展，直到19世紀末，當照相術(photography)和光譜學(spectroscopy)成為閃電研究利器後，人們對閃電才有更進一步的瞭解。

閃電，一般最常發生於雷雲(thundercloud)之中，它是閃電的最大製造者，除此之外，閃電也出現於暴風雪(snowstorm)、沙暴(sandstorm)和位於噴發中火山(erupting volcanoes)之上的雲中；閃電也曾發生於晴朗的藍天，因而有晴天霹靂一詞。無論如何，雷雲與閃電有著最密切關係的。以下本文將逐一介紹雷雲的形成與種類，閃電的過程與閃電產生的光電現象。

二、 雷雲

雷雲即一般所稱的積雨雲(cumulonimbus)，在上一節提到它們是閃電最大的製造者，所以它的內部必帶有不同性質的電荷，而這些電荷是如何形成的呢？ 當空氣上方有乾冷空氣，而下方有濕暖空氣時，由於下方的濕暖空氣密度較低，他們會迅速往上升，而上方密度大的乾冷空氣往下降。在這些水滴或小冰粒摩擦碰撞的過程中，於是帶有電荷。這樣的型態時常發生於冷鋒與暖空氣之交界處，或者當地面受到太陽強烈曝曬後，地面將熱量傳給附近低層的空氣。因此鋒面來臨會下雨（前者），而後者則是形成南台灣夏天午後雷陣雨的主因。雷雲的體積相當龐大，直徑可寬達幾十公里，雲頂的高度可從離地面5公里至20公里，也就是雲頂可突破對流層頂進入平流層（圖一）。







典型的雷雲雲頂高度約8-12公里。由於溫度梯度與重力作用，雷雲中有強烈的擾動，包括風、水和冰，使得雲中的水滴或冰粒帶有電荷。典型的情況是雷雲上半部帶正電荷，下半部的帶電淨值為負。在雷雲的底部有少部分正電荷存在（圖二）。整朵雷雲像一個電偶極（dipole）。







由雷雲產生的閃電有四種型態：第一種是雲層內部的放電現象(Intracloud discharge)，佔所有閃電的絕大部分；第二種是雲對地面的的閃電(Cloud-to-ground lightning)，這是最廣為研究的類型，因為它們對人們的生命財產有極大的威脅性；第三種是雲與雲間的閃電；最後一型為雲對周圍空氣的放電現象(air discharge)，通常發生在雲頂。而本文對閃電的介紹也是針對與人類生活息息相關，而且也是被研究最多的類型的雲對地的閃電。

三、 雲對地的閃電

在談閃電之前，我們先定義幾個名詞，首先是“一個閃光”(a flash)，這是一整個放電過程(total discharge)，時間約可持續0.2秒，一次閃電是由多個閃光所組成。一個閃光又可由三至四個稱為“一擊”(a stroke) 的放電單元所組成，每一擊持續的時間約為幾十個毫秒(millisecond)。而每一擊是由一個光度較弱的先遣放電過程(predischarge)，稱為“先導過程”(leader process)與伴隨而來的回擊(return stroke)所構成。先導過程是由雲層傳遞至地面；先導過程之後是一個快速的、高亮度由地面傳播至雲層的回擊(return stroke)。每次閃光的第一擊，其先導過程稱為“階梯先導”(stepped leader)。階梯先導開始於雷雲下半部之負電區與底部的零星正電區之間局部的電崩潰(electrical breakdown)，這使得原先存在於冰粒或小水滴上的電荷更加活潑(mobile)，最後雲底的負電荷產生了足夠的電場，可以開闢一條通路到達地面，這個通路稱為階梯先導（圖三）。






每個階梯（step）約長50公尺，階梯與階梯之間，間隔約50微秒(micro second)，接著下一個階梯產生。階梯先導一般的平均速率為1.5×105公尺/秒，約為光速的兩千分之一。若雲底的高度是3公里，那麼階梯先導從雲到地面將花20毫秒的時間，其平均電流約為數百安培，這路徑的半徑約在1到10公尺，將傳遞約5庫侖的電量至地面。

回擊(return stroke)是跟在階梯先導之後，當階梯先導之通路接近地面就像放了一根導線，強大的電流以極快的速度由地面流至雲層。這一個過程，稱為回擊，約需70微秒的時間。回擊的平均速率約為光速的三分之一至十分之一，典型的回擊電流強度約為一至兩萬安培。回擊的亮度相當耀眼，電流很快達到尖峰值(所需時間小於一毫秒)並持續幾毫秒，再落到峰值的一半，並再持續20至60微秒，然後電流減弱到幾百安培，並持續幾個毫秒。回擊的通路(channel)溫度可高達約30000°K，高溫使得通路中的氣體膨脹，於是使得通路急速膨脹，其膨脹速度超過音速，於是產生了音爆，這就是我們聽到的雷聲(thunder)。經過約5至10微秒，通路中的空氣與周圍空氣達成平衡，此時通路的直徑縮到約幾公分大小。圖四中粗的部分即為回擊。如果雷電的電流就此停止流動，那麼閃電之閃光也就結束，但若雷雲仍有放電的能力，將繼續有第二擊或第三擊。







第一擊之回擊結束後，當雷雲又擁有足夠之電場時，第二擊即開始。第二擊開始與上次回擊結束間隔約幾十毫秒。第二擊的先導過程稱為迅速先導(dart leader)，如圖三。當回擊與迅速先導之間隔小於100毫秒，迅速先導將循著上一次回擊的路徑。當間隔時間大於100毫秒時，迅速先導會另闢路徑，但路徑上的某些點仍會變換到原有的回擊路徑上；當間隔時間大於幾百毫秒，那就是另一個閃光的階梯先導了。如同階梯先導，迅速先導的階梯長度也大約是50公尺。傳播速率比階梯先導快，速率約為2×106公尺/秒。而迅速先導傳遞至地面的電量也比階梯先導少。如同階梯先導，在迅速先導之後，接著第二次子回擊。有關階梯先導、迅速先導及回擊的資料列在表一。


表一、一般雲對地閃電的資料:攜帶負電由雲層傳至地面。
　 　 最小值 普通 最大值
階梯先導 階梯長度(公尺) 3 50 200
　 階梯間的間隔時間(微秒) 30 50 125
　 平均速率(公尺/秒) 1.0×105 1.5×105 2.6×105
　 傳遞的電量(庫侖) 3 5 20
迅速先導 平均速率(公尺/秒) 1.0×106 2.0×106 2.1×107
　 傳遞的電量(庫侖) 0.2 1 6
回擊 平均速率(公尺/秒) 1.0×106 2.0×106 2.1×107
　 傳遞的電量 (庫侖)
不包含連續電流 0.2 2.5 20
　 尖峰電流(千安培) 　 10-20 110

2007-03-15 19:53:15 補充：
當雷雲仍有足夠電場可以放電，將會有下一個迅速先導，若雷雲已沒有能量進行下一次放電，此次的放電過程就結束，這整個放電過程就稱為一個閃光(a flash)。一個閃光通常包含三至四擊，而一次閃電將包含多次的閃光。 雲層與地面間的閃電，最常見的是向下進行的先導(leader)，並且通路帶的是負電，稱為負雷擊(negative stroke)。正雷擊(positive stroke)的發生會比負雷擊小，但攜帶的電量會比負雷擊大，曾測量到的最大值為300庫侖。正雷擊通常只有一擊，有第二擊的正雷擊相當少見。

行雷+雨 就係