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《雙颱合輯》EP.3 閃電如何形成？

文：林宜萩 | 《國家實驗研究院-台灣颱風洪水研究中心》助理研究員

　　曾敏端 | 《國立臺灣大學大氣科學系》研究生

圖：陳柏宏｜台灣颱風論壇

根據統計，台灣地區每年約有3~4人受到雷殛(因雷擊而死亡)，受傷的人數則為數十倍(陳與洪，2015)。最近午後熱對流旺盛，各地因閃電而造成的意外頻傳，台灣有不少民眾在室外工作時因雷擊而受傷甚至死亡，而閃電究竟是如何形成的？

閃電的形成需要經過雷暴(thunderstorm)的過程；一般來說，積雨雲是閃電生成的最佳場所，雲內需先產生帶電的機制，閃電才有機會發生。雷暴在積雨雲中電場的結構是上層帶正電，中下層帶負電，接近雲底的地方則帶一點正電(圖1)。為什麼會形成這樣的結構分布？早期科學家認為是因為「對流帶電機制」，指的是空氣中原本就存在離子，正的離子會被上升氣流帶進雲內，傳至雲頂；在雲頂會感應一些負電再被雲周圍下沈氣流往下傳輸。但因為空氣中原有的離子濃度過低，被帶進雲後被分化的現象亦不明顯，這個機制後來被認為是不正確的。

另一個目前被認為較為合理的雲電極化機制是「微物理帶電機制」，使得雲內大小粒子所帶的電荷不同，其中較大的冰雹粒子帶負電往下，而小的冰晶粒子帶正電往上。怎樣的微物理過程，能造成電荷分離使大小不同的粒子帶不同的電荷？科學們提出的微物理機制高達十多種(圖2)，但目前仍無法確定何者才是最主要的。其中幾個個可能的機制是，冰晶邊緣生長時潛熱釋放造成內外層的溫度梯度導致氫離子游動差異，或者因為冰雹收集的過冷水結冰時正負離子納入冰晶的效率差異，使得冰晶中央與邊緣具有不同電性，例如外圍帶正電，內部帶負電；當被其他小冰晶撞擊時，就可將外圍的電荷帶走。　

此外，對流雲內在大約-5～-8oC區域有過冷水滴與軟雹之間頻繁的碰撞過程，過冷水會在軟雹表面上結冰並裂開形成冰屑脫離，這冰屑也會帶正電荷，並被上升氣流帶往上層雲頂的區域，而帶負電的冰雹則往下落，形成對流雲主要的上正下負的電場結構。在這個上正下負的基礎之下，落至雲層底部的大雨滴因為撞擊或受到空氣阻力造成變形而破碎，也會形成帶正電的母雨滴(圖2中C)繼續下沉，以及帶負電的碎雨滴被氣流往上帶。多種機制運作下，使得觀測到的對流雲內電荷常常不是雙極分布，而有正負正的三極結構。


圖1: 雷暴中的電荷分布 (摘自Natural Resources Canada )


圖2-1: 雲內電荷分離之微物理機制 (摘自 Pruppacher and Klett [1997])


圖2-2: 雲內電荷分離之微物理機制 (摘自 Pruppacher and Klett [1997])

單是雲內的電荷分離，尚無法產生閃電。閃電是在雲內電場梯度累積至一定程度後，突破空氣的絕緣度，才會劇烈放電。閃電放電過程不只有雷暴中的雲對地閃電(Cloud to Ground, CG)，還有更為頻繁的雲內閃電(Intra-Cloud, IC)，以及較為少見的雲間閃電(Cloud to Cloud, CC)。在雷暴的頂部也會往電離層極擊出不同顏色的高空閃電，造成「藍色噴束」與「紅色精靈」等現象。

會直接對人類生命財產造成威脅的，通常都是雲對地閃電。雷暴期間常見的雲對地閃電，通常是由低層負電荷區域將地面感應為正電，引發的雲對地的負閃電。負電荷在雲底部大量累積達一定程度，電荷團塊間的排斥與吸引的力量無法平衡將引發電荷團的移動，以分段的方式往地表移動，有如階梯狀，我們稱之為先導閃電或步進導流(step leader) (圖3)。當其中一個先導閃電接觸到地表，就形成大通路，正負電在地表會合而放出大量能量，造成人們看到的閃光；正負電中和的過程由地面往雲的方向推進，形成所謂的回擊(return stroke)。回擊通常不只一次，但由於間隔時間只有幾個毫秒，以及強烈的炫光而不易為肉眼辨識。少見的晴空霹靂則通常是發生在雷暴周邊區域，正電荷粒子傳送至雷暴頂層無法突破穩定的平流層，形成水平向擴散的雲砧；相對較薄的雲砧對於日光的遮蔽不明顯，但卻帶有強大的正電場，可直接放電至地面，造成所謂的晴天霹靂。


圖3: 閃電放電過程示意圖 (摘自Natural Resources Canada)

雲內閃電不如雲對地閃電常被肉眼所見，但閃電觀測測資料卻顯示雲內閃電約為雲對地閃電的2～6倍。雲內閃電相較於雲對地閃電易於突破電荷平衡，進而發生放電過程。研究顯示雲內閃電的頻率與雷暴的發展相關，以雲內閃電爆發性增加作為天氣警訊相當有潛力。閃電的觀測相對於常使用的雷達觀測寬廣且處理快速，可以保有更多的災害應變時間，做為雷暴強烈降水及即預警的指標。

閃電除了會造成生命財產的損害之外，在地球系統中是有其重要性的。19世紀Stanly Miller的實驗說明了，閃電是地球形成初期大氣中合成氨基酸的重要因子，關係著生命的起源；閃電所造成的森林火災，可以促進森林樹種的平衡，是自然生態的重要環節；閃電也是自然大氣中氮氧化物的來源，與固氮作用及大氣的化學平衡息息相關。此外，閃電亦是潛在的乾淨能源，許多科學家目前正在研究如何搜集閃電，將其轉換為可用能源。

參考資料:
陳柏榮、洪景山，2015: 台灣電力公司閃電資料分析。大氣科學，43，285-300
Frequently asked questions about lightning, Natural Resources Canada, Retrieved July 5, 2016, from http://www.nrcan.gc.ca/forests/f ... urbances/fire/13147
Pruppacher, H. R., and J. D. Klett (1997), Microphysics of Clouds and Precipitation, 954 pp., Springer, Kluwer Academic Publishers