光合作用、光电效应和雷电起源

张国文

（武汉市洪山区人民政府    430070）

E-mail: mengke130@sohu.com  

2004.07公布于潜科学网站

内容摘要：本文提出了一种新的雷电起源理论，认为植物的光合作用和地面的光电效应对雷电的形成具有决定作用。该假说不仅与闪电过程的电现象相吻合，而且还较好地解释了许多已被观测到的闪电事实。

关键词：大气电流，雷电，云的起电，光电效应，光合作用

 一、            引言

关于雷电的起源（云的起电机制），有许多研究和假说，但到目前为止，还没有达成一致意见的理论。^[1]一种令人满意的雷电起源理论，一定能够较好地解释已被观测到的雷电事实。C.B.Moore和B.Vonnegut曾为雷电的起电理论列出了17个约束条件^[1]。之后，其他研究者又提出了一些新的约束条件。所有这些约束条件可归纳成以下几点：

（1）闪电的时空分布具有不均匀性。从空间上看，赤道附近比两极附近多，热带雨林比沙漠地带多，陆地比海洋多；从时间上看，夏季比冬季多，午后至傍晚比其它时间多。^[1]

（2）云中的电荷分布具有二级结构和三级结构两种形式。二级结构是雷雨云上层带正电，底层带负电；三级结构是雷雨云上层带正电，中层带负电，下层带正电。

（3）大气电场具有快速变化的特点。在晴天，大气电场是指向由上而下的正电场；在雷雨云下，大气电场则是（指向）与晴天相反的负电场；在雷雨云放电之后，大气电场能在瞬间恢复到晴天状态，但不久后又会回到与晴天相反的状态。

（4）各种类型的闪电出现的频率不相等。云内闪电总是多于云地闪电。同时，在云地闪电中，负闪总是多于正闪。正闪高发期对应总闪频数较少期，亦即雷暴活动的相对较弱期。^[2]

（5）雷电总是与雨天的强对流活动相伴随，但强对流出现时并不一定都产生雷电。^[1]

（6）发展中的云中电场会在较短的时间内成倍增长。^[1]

（7）为了产生强起电或闪电，云的厚度至少为3或4公里。^[1]

本文根据上述约束条件，对云的起电过程进行了分析研究，提出了一种新的雷电起源理论。

二、            大气电流

1、大气电流的形成

宇宙线和太阳紫外线（波长小于0.4um的短波辐射）在不停地轰击地球的大气层，使地球表层的大气分子电离成正离子和电子。由于这种电离作用对宇宙线和太阳紫外线的拦截，使得到达底层的宇宙线和太阳紫外线越来越少。其结果是电离作用也越来越弱，也就是说电离作用在地球表面自上而下是逐渐减弱的。在低空，只有少许分子被电离，而在高空则是大部分分子被电离。大气分子在电离的同时，还会发生与电离相反的复合过程，使正离子与电子（或负离子）结合成中性分子。所以，地球表面的大气在不断地进行着电离和复合反应，处于一种动态的平衡之中。但是，由于大气电场的存在，电离和复合作用并不会在同一处（或同一高度）进行。在“烟囱效应”和大气电场的作用，质量轻的电子在被光子或宇宙线撞出原子或分子后，便向上运动，与上层大气中的正离子复合。正离子则受大气电场阻滞，其运动大大滞后于电子，所以当电子上升后，就会在下层大气中留下正离子，使下层大气带上正电荷。下层大气的正离子又与下下层大气光致电离所产生的电子复合，如此反复循环，就在大气中形成一个自上而下的电流。这种大气电流的形成，类似于半导体的“空穴”导电。所以，大气电流除了在大气电场的作用下产生的漏电流外，还有在宇宙线和太阳紫外线电离作用下所形成的电子，通过“烟囱效应”所产生的激发电流（被激导电）。大气的被激导电电流可达10^-6—10^-12A/cm²，^[6]  而大气漏电电流则只有约10^-16A/cm²，因此，实际的大气电流要比大气漏电电流高10⁴—10¹⁰倍，远远大于人们估算的1800A。^[3]

如果大气中存在着低层大气的电子不断向上迁移的运动，那么除了漏电电流外，应该还有其它途径给大气补充电子，否则，要不了多久，大气就会全部带上正电荷，尤其是在低层大气中，正电荷将大大过剩，并且会随时间的推移过剩电荷不断增加。研究表明，大气确实带有过剩正电荷。由于这一过剩正电荷的存在，使电离层相对地面来说有3×10⁵v的电位差。^[3]同时人们也发现，大气中的过剩正电荷并不随时间的推移而增加，而是时而增加，时而减少，但在大的时间尺度上是基本稳定的。这说明大气中的电子在不断地得到补充。那么补充的电子来自何方呢？

2、光电效应和光合作用给大气补充电子

我们知道，地球含有大量的金属矿物质，自由电子特别丰富。当太阳光照射到地面时，就会产生光电效应，从金属矿物质表面逸出光电子。^[5] 逸出的光电子的数量随太阳光的频率的增加而增加，与太阳光的强度（或照射的时间）无关。由于在不同的纬度地区及不同的季节中，太阳高度角不同，太阳辐射透过的大气量也不同，所以使得到达地球表面的太阳辐射的频率也不同（见表1）。高纬度地区或处在冬季的地区，太阳的高度角较小，到达地表面的太阳辐射频率较低，紫外线的比例较少，红外线的比例较多，所以地表光电效应产生的电子就少。低纬度地区或处在夏季的地区则正好相反，光电效应能够产生大量的电子。

表1  不同太阳高度角时，太阳辐射光谱成分的频率变化

同时，在绿色植物的光合作用中也会释放一些电子到大气中。当太阳光子击中叶绿素时，叶绿素中的电子就会发生各种跃迁,使光能变成电能。正是这种电能在叶绿体内制造了ATP(三磷酸腺苷),进而合成了各种糖类。^[6]具体地讲，就是在太阳光的作用下，叶绿体的色素系统中，电子由水分子激出，被强加到未知的、称为质体醌的化合物上。质体醌的电子极不稳定，所以它们代表着高水平潜在的化学能。从这里电子沿电子传递链（electron transport chain）向下移动，电子传递链由一系列的化合物组成，每个化合物依次具有更加稳定的电子。由电子传递链释放的能量，一部分在一些反应中以热的形式散失了，一部分用于由ADP(二磷酸腺苷)和无机磷酸盐合成ATP。由于光合作用有许多电子参与，而且这些电子能量极高，十分活跃,犹如金属原子中的自由电子，所以，它们极易在太阳光子的轰击下离开叶绿体，逃逸到大气中。因此，光合作用也能产生光电子。

光电效应和光合作用产生的光电子，在大气电场的作用下，由地表向上运动，不断地给各个高度的大气补充电子，从而使大气的电性始终保持在一个相对稳定的水平。如果没有电子的补充，大气将因过剩正电荷的过多而抑制电子的迁移,从而使大气电流减弱并逐步消失。

三、大气电场的变化和云的起电机制

1、晴天大气电场的变化

大气电场的形成是由于大气中带有剩余的正电荷。由前面的讨论我们知道，大气剩余电荷则是太阳光和宇宙线致大气分子电离，电子在“烟囱效应”和大气电场的作用下向上运动而形成的。因此，大气电场将随大气分子的电离和复合的涨落而变化。一般说来，从一天的清晨开始，阳光逐渐增强，其中的蓝紫光也不断增加。这些蓝紫光能够使一些大气分子电离，其电离程度由高空至低空不断减弱，在上午10时前, 蓝紫光较少，都为大气分子所拦截，不能到达地面，所以，地面几乎没有光电效应，光合作用也较弱，地面产生的电子微乎其微。由于大气电子在“烟囱效应”和大气电场的作用下不断向上运动，所以在大气中留下了大量的正电荷，致使大气电场不断增强。大约至上午10时，蓝紫光才能到达地面，这时地面的光电效应便开始产生电子，光合作用也大大增强，于是地面开始产生大量的电子，不断补充到大气中，与大气中的正离子复合，使大气中的正电荷减少，大气电场减弱。

在太阳下山之前，太阳的光芒便逐渐减弱，抵达地面的蓝紫光也逐渐减少，大气温度不断下降，所以地面的光电效应和光合作用也相应地逐渐减弱，于是地面光电效应和光合作用产生电子的速度，跟不上大气电离的速度，这样，当大气分子电离，电子向上迁移后便又得不到地面电子的补充，此时空中的过剩正电荷又会增加，从而导致大气电场再次增强；在太阳下山之后，光致大气分子电离作用停止，大气中的正电荷达到最大值，大气电场也相应最强。

在夜晚，由于没有阳光的光电离作用，整个大气层都处于离子的复合阶段，所以不会产生和增加新的正离子。同时，大气中的漏电电流也会中和部分正电荷，从而使夜半球的正离子不断减少，电场逐渐减弱，至清晨电场达到最小值。这些都与目前的观测事实相一致。^[6]

运用同样的方法，也可以解释大气电场一年的变化（冬季出现最高值，夏季出现最低值）。在两极地区和中高纬度的冬季，光电效应和光合作用产生的光电子微乎其微，所以大气中电子的补充主要靠漏电电流。

另外，由于海洋的光电效应和光合作用不能像陆地那样产生光电子（因为水容易吸收电子），所以，海面上大气中电子的补充也主要依靠漏电电流，其大气电场一年四季变化不大。

由上述的讨论可知，虽然大气的漏电电流的强度与大气电场的强度成正比，但整个大气电流的强度则与大气电场成反比。即实际的大气电流越强，则大气电场越弱，实际的大气电流越小，则大气电场越强。

2、云的起电机制

大气电流的形成，是地面及低层大气中的电子在太阳光和宇宙线的作用下，不断由地面和低层向高空跃迁的结果。如果在天空中出现了云体（尤其是浓厚的积雨云），那么低空大气中的电子在运动到云体时，便会被云体拦截（云体是不导电的绝缘体）。由于太阳紫外线和宇宙线能够穿透云体，所以低层大气仍然在电离而产生电子，这些电子会在大气电场和“烟囱效应”的作用下，源源不断地涌向云体，并附着在云体上，使云体带上负电。

由于低层大气产生的电子被云体拦截，云体上面的大气仍然在阳光的照耀下发生电离，电子仍然在大气电场和“烟囱效应”的作用下上移，所以在云体上面的大气中就形成了大量的过剩正电荷。这些过剩正电荷的一部分被带负电荷的云体吸引，使之靠近云体并附着在云体上部。如果大气电流较弱或没有对流运动，被云体负电荷吸引的正电荷就不会很多，这时云体一般不会产生闪电，云体所带电荷或与降水一起回落到地面，或随云体的消散而消散。即使产生放电，也很微弱，不易被观察到。

但是，如果大气电流很大，如在热带雨林或中高纬度的夏天，且有对流活动，情况就不同了。

第一，对流活动推动云体上下运动，使云体像吸尘器一样，吸收它所扫过的空间的正负电荷。由于云体上面的大气带过剩的正电荷，而其下面的大气则有电子在不断向上跃迁，所以云体上部吸收的都是正电荷，下部吸收的都是负电荷。在云体上下运动时，其上部和下部吸收正负电荷的速度是不相等的。这种不等速的吸收，可加速电荷的积聚。因为正电荷的积聚会增加对负电荷的吸引力，加速负电荷的积聚，而负电荷的积聚，又会增加对正电荷的吸引力，反过来加速正电荷的积聚。如此反复，就会在很短的时间内，使云体上部和下部所带的正负电荷急剧倍增，从而使电场也急剧增强。

第二，当出现对流运动时，低空的热气流上升，会加速电子和轻负离子向上运动，而高空的冷气流下沉，也会加速高空过剩正离子的向下运动，从而加快了正负电荷向云体的积聚。

当正负电荷不断地向云体积聚，使云体的电场达到一定的程度时，就会击穿云体，产生放电，形成我们所看到的闪电。

大气的电流密度为δ=neυ^[7](n为单位体积中的电子数，e为电子的电量，υ为电子的平均运动速度)，所以，大气中每平方公里每秒所能生产的电量为：ne=δ/υ，大气电流的大小在10^-6—10^-12A/cm²范围内，电子的热运动速度的数量级为10⁵m/s，所以，大气每平方公里每秒中可产生大约10^-4--10²c的电量。

3、雷雨云下大气电场的变化

由上述的讨论可知，一般的云体下部都有可能带负电，但由于一般云体所带负电很少，所以，它不可能改变大气电场的方向而使地面感应带上正电。而雷雨云的下部则带有大量的负电，所以它能感应地面使地面带上负电。当闪电发生之后，云中积聚的大量电荷就会被中和，这时，地面电场就有可能回到晴天的状态。但是，如果雷雨云没有消失，且还有对流活动，那么，云体就会再次起电，使地面电场又回到与晴天相反的状态。

同时，在雷雨云下，地面被感应带上正电，而且随着降水的出现，地面将会形成大量的积水，从而抑制了光电效应和光电子的产生。这时由于低层大气得不到电子的补充，也会形成过剩的正离子，过剩正离子在雷雨云下晴天反向电场的作用下，就会向上运动，或与云体下的负电荷中和，或积聚在不带电的云体下，形成一个正电荷区。从而形成一个具有三级结构的带电云体。这些现象已被许多观测事实所证明。^[1]

四、对一些现象的解释

1、闪电的时空分布

大气电流的主要动力是太阳所提供的光能，如果没有阳光的作用，大气电流就会逐渐减弱甚至消失。由于一年四季太阳的高度角不同，所以入射大气的阳光的强度也不同，由此导致地球大气电流在一年内不断发生变化。由于大气氧分子的存在，太阳紫外线不易穿透大气层到达地面，所以，地面的光电效应和光合作用所产生的光电子，不足以补充大气中失去的电子，使大气电子短缺，正离子过剩，因此光合作用和光电效应成了大气电流发展的瓶颈。而没有足够的电流，云体就无法拦截和积聚足够的电荷，从而也不会产生闪电。所以，闪电在全球的空间和时间分布与各地光合作用和光电效应的强弱基本一致。

由于光合作用和光电效应受大气温度和太阳高度角的影响很大，温度越高，阳光垂直照射越强，光合作用和光电效应也越强。从空间上看，光合作用和光电效应赤道附近比两极强，陆地比海洋强，所以，雷电的活动是赤道比两极多，陆地比海洋多。从时间上看，光合作用和光电效应夏季比冬季强，午后比凌晨强，^[2]所以，雷电活动是夏季比冬季多，午后比凌晨多。

2、正闪与负闪

在早晨太阳出来前后，阳光未曾照着低层大气和地面，或者照着了但光强不大，所以，大地和低层大气产生的电子很少，不足以补充高层大气失去的电子，使高层大气出现大量过剩的正离子，而低层大气的电子也不足，因此，在强对流出现时，云体上下运动吸收的电荷便以正电荷为主。于是云体就带上大量的正电荷，放电所形成的正闪就大幅度增加。这与一些研究报道的正闪的高发期一般出现在凌晨和早晨时段，即00：00—11：00，是比较吻合的。^[2]

五、 大气与地球之间的电量平衡

处于晴天状态下的区域，电子通过光电效应和光合作用，由地面（固体地球）进入低层大气，然后在阳光和宇宙线以及大气电场的作用下，通过“空穴”导电逐步向上跃迁，最后抵达电离层。由于电离层具有良好的导电性，所以当电子进入电离层后，就可以在电场的作用下，沿电离层在在地球上空自由运动。

处于雷雨状态的地区，大气电场与晴天相反，一方面，通过负地闪和尖端放电，云体和大气中的负电荷回流到地面，另一方面，云体和大气中的正电荷则会有一部分运动至电离层，与晴天状态下运动至电离层的电子中和，从而形成一个电流回路。

除此之外，有些晴天状态下的电子通过“空穴”导电，运动到电离层后，就沿地磁场磁力线向极地运动（电离层中存在水平方向的电流已被证实^[4]）。在到达极地后落入低空，与降水和尘埃一起降落到地面。另外，有些电子由于能量极高，能克服地球的引力脱离地球而进入外层空间。与此同时，也有一些外层空间的电子进入大气，落入地球。另外，低层大气中的电子，除了受大气电场的作用外，也受地磁场和风力的作用，所以，电子的实际运动是相当复杂的，但这并不影响我们的讨论。

 六、            结束语

 本文的讨论，有的是基于现有物理理论和事实的推理，具有较强的逻辑性和可信性，有的则带有较大的猜测性，如大气中宇宙线和太阳紫外线的电离作用所产生的电流有待进一步地测试证明。

表2  几种主要的云的起电理论的比较^[3]

注释：“+”表示理论能较好地解释现象或事实，“-”表示不能很好地解释现象或事实。

 虽然本文提出的云的起电机制有待进一步磋商和研究，但它与现有的几种主要的有关云的起电的理论相比，在许多方面更完善——它能解释其它起电理论所无法解释的许多观测事实。

表2列出了目前的几种主要云的起电理论及其它们所能够解释的一些现象。从表中可以看出，本文所提出的理论能够解释的现象最多，其次是对流起电，其他的理论只能解释一、两个现象。

参考文献

 [1]R.H.Golde .雷电，北京：电力工业出版社，1982，1-38，36-4270

[2]张敏锋等，我国北方地区雷电活动的时空特征，高原气象，2000，19（3）：277-284

[3]B.J.Mason，云物理学， 北京：科学出版社，1978，504-584

[4]刘石选，程芙荣，大气电磁学，桂林：广西师范大学出版社，1993，148-155

[5]Robert Resnick，相对论和早期量子论的基本概念 ，上海:上海科学技术出版社,1978,163—172

[6]K.C.史密斯，光生物学，北京：科学出版社，1984，398--446

[7]程守洙，江之永，普通物理学（第二册），北京：人民教育出版社，1982，83—113。

 作者简介：1963年生，大学，中国地球物理学会会员，现为公务员。发表科学论文10余篇，出专著一部。

 Study on the Atmosphere Electrical Current and the Origin of Lightning

  Zhang Guowen   

(Hongshan District Government of Wuhan City, Hubei   430070)

 E-mail: mengke130@sohu.com

Abstract: A new theory about an electrical charge being generated in the clouds is proposed in the paper. It thinks photosynthesis and photoeffect decide lightning How to become. It explains not only the course of electrical charge being generated in the clouds, but also the lightning spatial and temporal distributions in all the world.

 Key words:  Atmosphere electrical current, Lightning , Electrical charge being generated in the clouds, Photosynthesis, Photogalvanic effect