雷电，风暴的声与光
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拖了很久，终于完成，赶巧今天七夕，怎么也没想到，闪电（特别是云地闪电）的故事竟完美应景。如果我们先把闪电的危险性清醒地放置在脑后，纯粹去看它的形成过程（很多仍是未知），意外地，浪漫得不得了。当云朵开始带电，下部的大地也带上了相反的电荷，在强大电场的作用下绝缘的空气开始导电，于是数千米之隔的天与地通电了，由此我们看到了风暴的光，听到了它的声。
🌩 所以，积雨云究竟如何打闪放电？
雷电的故事还要从积雨云（Cumulonimbus）开始。
在上一篇 风暴将至：云升雨降 中，已提到积雨云是浓积云在垂直高度上不断增长成形的，因为有充足的温热水汽形成强烈且持续的上升气流。随着高度不断攀升，大气温度逐渐下降甚至低于 0 度冰点（夏季热带地区大约在 5 km 以上高空，中纬度地区约 3-4 km 以上高空），于是上升气流中的水蒸气凝结为冰。简单说是冰，其实又细分为小的冰晶、过冷水滴（supercooled droplets）和霰（graupel，也称软雹）等。关于过冷水滴，就是水在冰点以下凝结成了冰，但是因为缺少结晶核（如冰晶、杂质等）而没有结晶。霰，则是过冷水滴以小冰晶为结晶核，汇聚凝结成的冰粒。所以小冰晶和过冷水滴更小更轻，而霰更大更重，前者顺着上升气流上浮，后者较重则倾向下沉，于是这些不同大小、不同重量、运动方向相反的冰粒就在运动碰撞过程中，或失电子带正电（上层的小冰晶和过冷水滴），或得电子带负电（下层的霰）。
图注：上下移动的冰粒们因为碰撞而生电，源自 wiki，见这里
由水滴、冰晶汇聚而成的积雨云因此带电，上方为正，中下部为负，另因为降水和较高的气温，最底部也为正，也就是说云内竖直方向上有了电场。
图注：积雨云内的电荷分布，源自 wiki，见这里
原本，空气作为绝缘体分隔着正负电荷，但是，当电场强度达到一定程度后，空气也会变成导体，电流迅速从中通过，即所谓的电击穿（electrical breakdown），于是积雨云开始打闪。
根据起始点的不同，闪电通常分为三类：
云地（Cloud-to-ground，CG）闪电
图注：云地闪电，源自 NSSL，见这里
相比后两种，这种闪电发生的频率其实最低，但因我们生活在陆地上，云地闪电与人类生活相关度最高也被研究的最多。
云内（Intra-cloud，IC）闪电
图注：云内的闪电外部不可见但显然它照亮了整个云层，源自 wiki，见这里
云间（Cloud-to-cloud，CC）闪电
图注：源自 wiki，见这里
云地闪电的形成
前面已提及，积雨云的上部主要积累正电荷，中下部积累负电荷，最底端也有少量的正电荷。因为云的中下部主要呈负性，于是云层下方的大地上，带负电的电子被斥力挤向深处，地表呈正性。当云层中下部（负）与底部（正）之间的电场强到一定程度后，原本绝缘的空气开始导电，中下部的负电荷开始向下移动，因为底端的正电荷数量有限，只能中和部分负电荷，于是更多的负电荷就会继续向地面方向移动，他们被称为阶梯先导（stepped leader）。
图注：阶梯先导，NOAA 制作，源自这里
因为先导的头部只能感知大约 50 米范围内的电荷分布，所以他们向地面的移动并不遵循最小电阻路经，而是阶梯状、非连续性的，另外还呈树根状分布式，就好像看不见大地只能摸索着前进并尽量扩展开去尝试建立联结。
图注：NOAA 制作，源自这里
功夫不负有心人，当向下的闪电先导越来越接近大地时，地表的正电荷也积累的越来越多，开始形成向上的先导，特别是地面上的高大建筑物、树木、电线杆等，随着向下先导与向上先导的逐渐靠近，二者间的电场强度也逐渐增大，直到再次使绝缘的空气成为导体，当向上先导终于和向下先导的某一分支触碰后，云地之间终形成闪电通道。
以上整个过程发生的速度非常快，闪电先导的亮度也较暗，我们肉眼通常是看不到的，不过可以用高速相机拍摄下来然后慢速观看：
图注：NOAA 制作，源自这里
我们平时看到的闪电就是上图中云地通道形成后最后那一道耀眼的光，被称作回击（return stroke）。当云地闪电通道终于打通后，云内大量的负电荷瞬间涌向地面，电流则反向从地面沿通道流向天空，高达 5-300 kA（中位数 30 kA），使周围空气的温度急剧上升，甚至超过太阳表面的温度，放射出蓝白色的光芒。
高温同时使空气迅速向外膨胀，由此产生了巨大的压力，初始爆破的冲击波（shock wave）随距离增加而不断减速直到转换成我们可以感知的声波（sound wave），即为听到的雷声。随距离闪电发生位置的远近，传来的雷声并不同，距离闪电通道越近，声波振动频率越高，所以最先听到的是类似撕裂的声音，接着是响亮的爆破声，因为高频的声波会更快被空气吸收，所以后来听到的是距离闪电发生位置更远处传来的相对低频的轰隆声。因为光速远大于声速，所以总会先看到闪电，后听到雷声，根据声音在空气中传播的速度，大约是 1/3 km/s，由此就可以估算闪电发生的位置与我们的距离，即看到闪电与听到雷声之间间隔的秒数除以 3。
闪电通道形成后，可能还会被重复多次利用。从前面的图中可以看到，云层内，当第一次回击结束后，如果云内还有负电荷，他们会沿着通道再次向地面移动，不同于之前的阶梯先导，这一次因为有迹可循，他们被称作直窜先导（dart leader），同样地，当直窜先导抵达大地后，会再次发生回击。
图注：回击后的直窜先导，NOAA 制作，源自这里
所以首发的阶梯先导之后，有可能会伴随多次回击，因为速度非常快，肉眼可能难以分辨，效果就像高频的闪光（参看最前面 Range四方 拍摄的视频）。
以上这种云地闪电是将云内的负电荷移动至大地，所以更准确地称呼是云地负闪电，相应地，自然还有云地正闪电，即云内的正电荷移动到大地。云地正闪电通常会具有更强的能量，持续时间更久，破坏力更大，不过 90% 的云地闪电都是云地负闪电。
图注：云内闪电，云地负闪电与云地正闪电，NOAA 制作，源自这里
关于避雷针
超高建筑物拔地起，更大概率会形成向上先导并与来自天空的向下先导触碰打通云地闪电通道，也就是说，因为自身的高度，他们甚至“主动”参与了制造闪电的过程，虽然是迫于强大电场的压力。既然自然之力难以违抗，应对方法就是更主动地迎接闪电，甚至在顶部装上细长针状的金属导体，使向下先导更容易发现并抵达，闪电通道开启后形成的超强电流则被避雷针连接的专业电网等装置安全引向大地，既不会伤及高大建筑物本身，又因为主动迎接闪电从而保护了周围平地上的其他建筑物以及行人。