你知道风雨雷电的真正成因吗？

兼论空气、水、土壤的起源作者：张宝盈关键字：关键词：太阳加热顶层大气、等离子体向低层大气对流、等离子体复合成雨风雨雷电，是最为人们所熟知，最贴近人们的耳目感官，人人可得而观之的自然现象．然而，对于这些司空见惯的现象，人类却迄今没有得到对他们的完整认识，许多奥秘尚未揭开．诸如所谓“云中起电”的机制，云滴、雨滴的生成机制等等，都未形成与观测事实相一致，能说明各种现象的理论体系．一、风雨成因的现代解释对于风的成因，目前一般解释为，一是由于太阳加热地面导致的空气热对流；再就是由于温度高的气体膨胀，密度小，温度低的气体收缩，密度大，这样在冷空气和暖空气之间会出现水平气压梯度力，在水平气压梯度力的作用下，气压高的冷空气就会向气压低的暖空气中流动，于是就形成了风．此外，还有地球自转以及天体引潮力的影响等．然而，这样的机制似乎只能解释一些平稳、微弱的小风、微风，不能解释台风、龙卷风、飓风、飑风等等之类的强风．一方面，台风、龙卷风的涡旋特征难以用“气压梯度力”或“热对流”加以说明，另一方面，它的猛烈程度、巨大的风速以及所谓飑风的爆发性，都难以用“气压梯度力”和“热对流”加以说明．如“对强台风，海洋上最大风速一般可达60～70米/秒，曾经观测到最大风速为110米/秒的台风．”[1]不言而喻，“热对流”和“水平气压梯度力”都不足以产生这样的强风．因为人所共知，水即使被加热到100℃，也只是表现为并不太剧烈的沸腾而已；空气被加热时如烟囱中冒出的烟，虽然被数百度乃至上千度的高温烘烤着，其运动速度往往也并不很剧烈．更不用说因太阳辐射导致的低层大气温度常常只有数十度，温差也并不很大，更不足以引起类似飓风、台风、飑风这样十分猛烈的强风．对于雨、雪的成因，现代科学解释为：雨雪是由海洋、江河湖泊中的水受太阳照射蒸发，进入大气，由于太阳加热地面导致空气对流上升，含有水蒸汽的空气进入高空遇冷而重新凝结为云，云粒子又发生碰并增长等过程而形成雨雪．但是，这样的理论用来解释平缓的小雨也遇到了巨大的困难，更无法解释暴雨、巨大冰雹等特殊气象现象．首先面临的问题是：在炎炎烈日下和干燥、赤热的空气中，被蒸发的水分是否能够长时间地以水分子的形态存在？因为被蒸发的水并非径直走到高空就立即遇冷凝结为水，而是要经历很长时间的，强烈的阳光和宇宙射线能使空气发生电离，同样也能使水分子发生离解和电离．被蒸发的水分子在干燥、赤热的空气中漂浮数天、数十天以后还有多少能以水分子形态存在，是一个严重问题．显而易见的是，被蒸发的水分子在大气中的运动路径上遇到的太阳光子“炮弹”的轰击是十分密集的，尤其在夏季太阳直射时更是如此．也许用不了很长距离，就会有很大一部分水分子被离解为氧原子和氢原子，一部分被电离为氧离子和氢离子——来自太阳的高能光子和其它高能粒子足以使水分子分崩离析、土崩瓦解．水蒸汽在大气中运动的距离越长，这种情况就会越多发生．“潮湿空气对流上升冷凝成雨说”面临的第二个困难问题是：根据热带地区观测，有些雷雨云为暖云．[2]“理论无法解释在自然界中经常发生的暖云降水过程．”[3]你说是冷凝成雨，可偏偏暖云也能下雨．于是学者们便不得不去寻找一些新的理论来解释暖云降雨．再者，人们早已注意到，“云滴从大气凝结核上形成，并长大成雨滴是一个十分艰巨的过程．以对流云为例，它的云滴半径一般为10μm，若大气凝结核的大小以0.1μm计算，则从一个凝结核上成长为云滴时，它的体积要增加一百万倍．对流云降水其雨滴半径一般为1000μm．以此计算，则一个云滴长大成为雨滴时，其体积又要增加一百万倍．对于开始的凝结核而言，则是增加到1012倍（万亿倍）．而在大气中这过程又是在很短时间内完成的（对流云降水性质为阵雨）．因此，这确实是一个十分惊人的快速过程．[3]认为是潮湿空气对流上升成云的观点尤其不能解释暴雨、大暴雨的发生机制——那些数小时甚至一小时就下了数百乃至上千毫米的豪雨、“倾盆大雨”、“瓢泼大雨”，需要有体积多么庞大的“潮湿空气”以多么快的速率上升并凝结啊！而且这需要天空有一个效率多么高的“制冷机”啊！否则潮湿空气是无法快速冷凝成雨的．而在降雨过程中，尤其在瓢泼式的降雨过程中，高度密集的雨滴会使空气上升受到巨大阻力，使空气难以快速上升．何况地面上又一时哪里来那么多潮湿空气呢？如果是从海洋上空输送而来的,那又需要多么高的输运速率呢？而潮湿空气又何不在海洋上空就凝结成雨呢？何况，实验研究证明，“水均质成核需要过饱和度达320%，而实际大气中过饱和度很少达到1%．”[4]这是多么巨大的悬殊！虽然人们不得不把“水汽凝结”勉强解释为“大气中总是存在相当数量的凝结核”，但“原则上”也必须“要有足够高的水汽过饱和度”．可惜实际大气却满足不了这样高的水汽过饱和度．人们也早已注意到，“只靠气柱内的水汽上升凝结并全部降落也不足以造成一场特大暴雨．以1975年8月河南林庄大暴雨为例，林庄附近当日气柱中的可降水量为80毫米，而24小时雨量为1060毫米，后者为前者的13.3倍．又如1981年7月四川大暴雨期间，成都龙泉驿站24小时雨量314毫米，而大气中的可降水量只不过70毫米（13日），前者为后者的4.5倍．[5]所以，“截至目前为止，暴雨形成机制还不完全清楚，尤其是特大暴雨的成因，尚有待于详细分析研究．”[5]如果说亏缺的水汽是由远处输运而来，则需要很高的输运速率，这必然形成大风（且输运的水汽必须贴近地面才能对流上升），而大风又会将积雨云吹跑．这是一个严重的矛盾．而每一个人都有的经验是：凡暴雨时空气都是很稳定的、基本无风的，有强风的雨很快会停止而晴天．现有的理论也不能解释冰雹尤其是巨大冰雹的成因．因为“要造成地面成灾的冰雹直径应在5毫米以上，考虑到降落时将经过2～4公里以上厚度的正温区（温度大于0℃）而融化问题，云中冰雹直径应大于1厘米，为支托这样大小的冰雹，云中必须有大于15米/秒以上的强上升气流（相当于7级风）．[1]而如果是像鸡蛋、拳头一样大甚至更大的冰雹，则需要多么强的上升气流，又需要多么长的生长时间呢？并且，理论计算和实验表明，要在十来分钟时间里从冰雹胚胎增长到1厘米直径的冰雹，则云中含水量至少应大于10克/米3，[1]何况还有像鸡蛋、拳头一样大甚至更大的冰雹．而积雨云内最大含水量往往才达到0.45～1.0g/米3．[6]实际的情况是，有些罕见冰雹，大得足够惊人．如“1923年10月23日《申报》10版报道一则《陕北空前大冰雹》云：（冰雹）方其降时，初仅若豆，继则若卵，后竟若拳，损伤人畜田禾不知凡几．雹止后，横山县官绅，出城验灾，则半里至沙滩，突遇一物，透明结晶，高丈余，直立地上，就地掘三尺余深，犹未尽其根，周围十人，莫能合抱，……及日出，始知为最大之冰雹也．”又“清刘献庭《广阳杂记》卷二第80页载：“太白，……地高寒冷侵人且多雹，有片云起雹即落，有大如屋者，路见云色异即疾走山岩下以免，若行迟或不谙径，多为雹伤．清傅维麟《丛书集成·明书》卷二十八·志·司天志第714页载：“明成化八年七月陇州雨雹，如牛者，五、六日始消．”第717页载：“崇祯元年山西大雨雹如象，经月不消．”道光广东《新会县志》卷十四载：“清嘉庆十一年丙寅二月二十二日雨雹如拳如斗如牛，大者重数百斤，落处地为之震，而潮阳湖居坏庐舍尤多．[7]周密《稽神录》载：“国初杨汀自言天祐初在彭城避暑于佛寺，雨雹方甚，忽闻大声震地，走视门下乃下一大雹于街中，其高与寺楼等，入地可丈余．……经月雹乃消尽．”[7]如牛如象，高与寺楼等，十人莫围的巨雹，需要多长的“生长时间”，又需要多么强大的“气流”才能托住让它长大呢？另外，按照蒸发——冷凝成雨机制，只能认为地球从一诞生就存在海洋湖河，几十亿年以来一直在重复着这样的蒸发——降雨的循环过程．如果地球诞生之初并没有海洋湖河，水就无从蒸发，也无从降雨．而这显然是不符合实际的．地球上的水是一个从无到有，从少到多的过程．蒸发——冷凝成雨机制显然不足以说明这样的过程．诚然，被蒸发的海洋湖河中的水，一部分最终可能会以水的形态回到地面，但它可能是经过蒸发→水蒸气→氢气、氧气（或氢原子、氧原子）→氢离子、氧离子复合→降雨这样的循环过程的，而不是蒸发→水蒸气冷凝→降雨这样简单的循环过程．当然，也不排除极少部分水分经历了这样的简单过程，但这可能不是水循环的主流环节．对于雷电的成因，现有理论认为，由于某种“起电机制”而使云中正负电荷不断分离，当正负电荷中心电场达到一定强度后，击穿空气产生闪电，并使空气振动形成雷声．关于云中电荷如何产生和分离，一个世纪以来众多研究者曾提出过多种理论和假说，如离子选择捕俘起电，离子扩散起电，极化起电，水滴破碎起电，对流驱动机制，水的冻结和融化起电，冰晶的碰撞和破裂起电，凇附起电等等．[8]但这些机制常常都适应于所有的积雨云，难以说明为什么有些降雨或降雪过程没有闪电（它们同样存在上述机制），而且这些起电机制的起电效率往往较低，难以解释一些间隔时间极短的密集闪电．同时，由于闪电是一个能量释放过程，作为它的逆过程，“云中起电”必须要有相应的能量输入，而现有机制并不能提供这样的能量输入．现有的起电理论尤其无法解释那些罕见的奇异的雷电现象．如民国《大荔县志·足征录·异征》记载：“民国二十二年六月二十二日鸡鸣时天黑如墨，电光闪耀，如自天降如自地起，上下融成一片，而雷声隆隆如转磨如循环，无从辨其起讫，经两小时而后止．”1931年《美国气象学会会志》十二卷130页刊载了《最奇怪的闪电》一则：1927年10月3日著名的德国气象学家瓦尔特·克诺赫博士在坐汽船从南美洲的巴拉圭河顺流而下的航程中偶然见到了一场闪电，……在电暴之前或电暴期间都没有下雨．下午7点钟没有预兆，突然整个天空都开始了电暴．克诺赫博士说：即使想要大概计算一下闪光的数目，恐怕也是不可能的．……这样壮观的场面持续了好几个小时却没有打雷．……雷声突然在半夜一点半开始，以后一直持续到凌晨4点．最后的闪电是在上午8点钟在汽船的后面看到的．1993年8月13日《中国科学报》载“美国东海岸今年3月中旬的一场暴风雪曾产生大约5．9万次闪电．[9]现有的任何一种起电机制都不足以说明云中（或大气中）为何会有如此之高的“起电”效率，能在极短时间内积聚巨大能量．如果对一种现象的基本认识是错误的，那么建立在这种错误基础上的理论，也很难得出符合实际的正确结果．二、风雨雷电可能的真实成因那么，风雨雷电的真实成因可能是什么呢？我们知道，大气科学把大气层分为若干层，由地面向上依次为：对流层、平流层、中层，中层以上是热层，也即电离层，电离层以上是磁层．电离层、磁层主要由荷电粒子（电子、质子及各种原子离子、分子离子等）构成．但这只是一种人为的分层，它们之间并不存在截然的界限．人们已经认识到，太阳辐射加热地面会引起空气自下而上的上升对流，却没有对太阳能量实际上是从大气顶层——磁层、电离层进入大气（自上而下）的这一事实给予足够的重视．而且，进入顶层大气的“原初”的太阳射线要比穿过大气层被大量吸收后到达地面的太阳射线能量强得多．太阳对顶层大气的加热同样能使顶层大气（磁层、电离层）向低层大气对流（相关证据见下文），电离层中的等离子体受太阳自上而下的加热对流到低层大气后，由于低层大气电离度较低，电场较弱，使等离子体的复合率大于电离率，发生单体复合和集体复合，就形成了风雨雷电．此机制基本上可以解释所有的相关现象并与观测事实较好地相符．为什么电离层中的等离子体对流到低层大气发生复合，就能产生风雨雷电等现象呢？这里首先需要介绍一下等离子体的基本概念：等离子体是由带电粒子和中性粒子组成的一种表现出集体行为的准中性气体．[10]而且，“气体中只要有0.1%的分子被电离，就已经具有了等离子体的性质．”[11]就是说，等离子体是由少数带电粒子和多数中性粒子组成的气体．按照等离子体物理学，除非在电场较强，能量较高的情况下，等离子体复合主要表现为分离复合（复合为原子离子或分子离子）外，一般情况下，等离子体将主要复合为中性粒子．大量的中性粒子就会结合形成或气体、或液体、或固体物质．因此，可以预料，等离子体复合的产物共有四种：1．气体物质；2．液体物质；3．固体物质；4．等离子体．由于复合过程是电离的逆过程，物质发生电离时吸收的能量便会在复合过程中释放出来，所以复合过程是一个放能过程，这个过程会有大量能量释放出来．等离子体复合为气体（氢、氧、氮等各种气体物质）时就会使空气增加，而这可能就是空气起源的源头，同时释放的巨大能量猛烈地推动空气运动，形成风暴（台风、龙卷风、飓风、飑风等）．等离子体单一地复合为气体时形成大风并可出现“干打雷，不下雨”的现象．等离子体复合为液体（水或其他有机类或无机类液体如血雨、酸雨、黑雨等）时就形成降雨．现象表明，这个过程常常分为两个过程：第一个过程是等离子体发生单体复合（一对或若干对正负离子的复合），这是一种随机复合，复合的结果是形成云、雾；第二个过程是：由于单体复合是不完全复合，复合后的云粒子仍带有正电荷或负电荷并形成电场，电场经过一定时间的演化，逐渐形成正电荷中心和负电荷中心，正电荷中心和负电荷中心在电场库仑力的作用下发生集体相互作用，当电场达到一定条件时，就会发生等离子体集体复合（这个过程包括化学过程，准确地说是等离子体条件下的特异化学反应），集体复合速率极高，瞬间即可形成雨滴、雪花、冰雹．在某些特殊情况下，等离子体也常常不经过单体复合，而直接发生集体复合，从而形成“晴空暴雨”奇观．而这可能同时也就是地球之水和海洋湖河起源的源头．猛烈的复合过程是在复合率超过电离率的临界点后突然发生的，所以会形成突发狂风和暴雨．对于空间等离子体复合成水的认识，前苏联学者也曾提出：太阳风把由重粒子（质子）组成的微粒带到大气圈里来，这些微粒在大气圈中与电子结合时变为氢和氧的原子并形成分子．起初形成OH和HO2，它们之间相互反应或单独与氢作用时生成水分子，同时放热： OH＋H H2O（16卡/克分子）OH＋OH2 02＋H2O（70．8卡/克分子）[12]等离子体复合为固体时，就形成冰雹、沙尘暴、鹅卵石、砾石等，而这也可能就是土壤、沙漠起源的源头．等离子体复合的结果并不一定全是中性粒子，同时由于能量的猛烈释放，复合过程还会形成一部分等离子体并使一些中性粒子重新电离为等离子体，使这个过程循环演进，而使风暴、暴雨、尘暴得以长时间地维持．复合为等离子体的过程称为分离复合．等离子体复合常常同时复合为气体、液体、固体、等离子体，如台风过程中，既有狂风，又有暴雨，雨水中有时还夹杂着冰雹、沙尘等．但在某些特殊条件下，也常常单一地复合为气体（形成风暴）、液体（降雨等），固体（雪、霰、冰雹、沙尘暴等）．空间等离子体究竟会复合为什么形态的物质，可能取决于等离子体中的离子成分和电场状况．闪电实质上即是一种“带有辐射的复合，一个正离子吸收一个电子变成一个激发原子并同时发射光子以带走剩余的能量，即：A+＋e→A*＋ｈυ（1）这种过程是稀薄等离子体中的主要的复合过程，因此对天文等离子体非常重要．另外还有三粒子碰撞的复合，一个正离子与两个电子同时碰撞，其中一个电子与离子结合组成一个激发原子，另一个电子带走剩余的能量，即：A+＋e＋e→A*＋e．（2）在比较稠密的等离子体内它是主要的复合形式．（闪电中显然也存在这样的复合形式，所以将导线接入闪电区会观测到强电流．）第三种情形是离解复合，一个带正电的分子离子吸收一个电子而变成一个激发分子，这个分子是非常不稳定的．它几乎立即离解为一个激发原子和一个中性原子，即：（AB）+＋e→(AB)*→A*＋B． (3)其中剩余能量转化为离解碎片的动能；这种复合形式在电离层中经常出现．[13]这个过程将分子离子转化为原子，太阳辐射、宇宙射线又会将原子进一步电离为正离子、电子或质子、电子．这就是说，闪电并不仅仅是正负电荷中心在电场达到一定强度后对空气的击穿放电，它的实质是正负离子在达到一定条件后发生的辐射复合．认识到这一点十分重要．雷电并不仅仅是一种电现象，闪电在本质上是空间等离子体的集体复合过程，电（磁）现象只是它的外在表象．尤其是使用“正负电荷中和”的概念产生了严重的误导，使人误认为正负电荷“中和”以后似乎都不存在、消失了．事实是，闪电过后虽然云中的带电粒子（电荷）减少了，但却有等量的中性物质（粒子）被产生出来了．这个十分重要的结果却被人们长期忽视了．目前人类对闪电产生中性物质已有了初步的认识和实际的观测．如对闪电产生氮氧化物（NOX）的研究与观测．周筠珺等利用NOX分析仪和大气平均电场仪在青海省大通县对雷暴天气过程中自然闪电产生的NOX进行了地面观测．分析结果表明，在雷暴天气过程中由于闪电的发生，会产生大量的NOX，……在雷暴天气中，闪电次数与NOX的平均体积混合比峰值个数相同，且峰值由闪电产生．[14]类似的观测结果证实了闪电（等离子体复合过程）产生中性物质的真实性．所谓球状闪电，则可能是在一个等离子体复合单元中自然地达到了一种特殊电场条件，使等离子体的电离率与复合率接近平衡点（复合率仍稍高于电离率），因而复合速率较低，故可以维持一定生存时间的等离子体复合现象．事实上，此观点与现有理论是十分吻合的，只不过现有认识忽略了一些重要的细节，从而导致了认识上的差异．——人们常常把闪电解释为云中正负电荷发生“中和”而导致的．显而易见的是，所谓“电荷”并非是虚空的，而总是由离子（包括电子）携带的．因此，把闪电描述为“正负电荷发生中和”容易引起误解，会让人误认为似乎正负电荷“中和”之后就都消失了．正确的描述应该是：闪电是正负离子（等离子体）的复合过程．复合后的“电荷”（离子）并未消失，而是转变成了中性粒子．所以每一次闪电都必定有新的中性物质被“制造”出来．这种物质可以是气体（补充空气），可以是液体（降雨），也可以是固体（形成冰雹、沙尘、鹅卵石、砾石、雨花石、宝石等等）．对此人们尚缺乏足够的明确的认识．空间等离子体的现代来源，主要是太阳辐射、宇宙线辐射对空气、地表物质的电离、离解作用．另外在火山爆发和强烈地震中，地表岩石、土壤也会由于巨大能量的释放而被电离．火山爆发时喷出岩浆，岩浆已有较高电离度，喷出的水蒸气、烟尘、火山灰等物质也有一部分被电离，所以火山喷发时会有大量元素离子进入大气．在强烈地震中，由于巨大能量的释放发生所谓“水土液化”，形成地震湖，在这样的过程中可能也有大量土壤或岩石被电离．电离后的一部分元素离子进入大气，在电场条件适当的时候又再次复合为沙尘（形成土壤）、鹅卵石、砾石等等．太阳能量使地球物质不断地发生电离，被电离的等离子体又不断地发生复合，这个过程就创造了地球上的空气、水、土壤等等．每一次的台风、飓风、龙卷风等等，都会有新的空气加入到大气层中，没有这种随时随地的补充，大气层可能不但无从产生，即便已经形成也早已散逸净尽了．每一次的降雨、降雪等等，也都会有新的水加入到地球的江河湖海里来，没有这种不断的补充，海洋也可能不但无从产生，即便已经形成也早已蒸发净尽而干涸了．每一次的沙尘暴，雨水中夹杂的沙尘，都在使土壤渐渐增厚，没有这种不断的洒落，土壤可能就不会出现，即使出现，也会很快被雨水冲刷到海洋中了．地球上的物质就是这样不断地进行着新陈代谢，循环往复，从而展现出一个奇幻无比的多彩世界来．三、太阳加热顶层大气的实际过程那么，太阳对顶层大气（磁层、电离层）的辐射加热能否导致电离层中的等离子体向低层大气对流呢？这与观测事实是否相符呢？目前，大气科学的研究成果和观测事实已足以对此作出说明．我们知道，电离层也被称为“热层”，在热层中，大气温度随高度增加而急剧上升．到大约1000Km，白天气温可达1250～1750K．这正是由于电离层吸收太阳辐射后空气分子几乎都被离解为原子、离子和自由电子．[4]可见太阳对顶层大气的加热作用是十分强烈的．而在电离层以下大约50～80Km的一层大气叫做中层，中层温度随高度的增加而下降，大气易发生垂直运动．这对电离层向低层大气的对流是有利的．在中层以下大约18～50Km左右的大气层叫平流层，平流层大气温度随高度的增加而上升．是因为在这个高度（距地面20～30公里）存在臭氧层，臭氧层吸收了太阳紫外辐射而导致温度上升，这也是太阳从顶层向下加热大气的一种表现形式．平流层以下则是对流层，对流层的温度也是随高度递减，这使大气容易产生较强的垂直运动．实际的观测也发现大气层中存在自上而下的对流，如：“R·赖塔自1969年起在德国巴伐利亚州阿尔卑斯山海拔约3000米的楚格施比茨气象台对该地区大气中放射性元素B7e和P32（认为是宇宙线轰击平流层大气形成的）的含量进行监测，以此来指示平流层和对流层大气之间的互换量．为了弄清楚放射性核素含量的增加与太阳活动的关系，赖塔将太阳耀斑发生日期与之作了比较，发现在耀斑发生后2～3天对流层的放射性核素含量增加．这说明耀斑发生后有空气从平流层下降到对流层，从而影响天气的变化．”[15]上述观测事实表明，太阳辐射加热顶层大气导致电离层中的等离子体向低层大气的对流是真实存在的．太阳加热大气顶层引起的热对流，虽然要克服浮力的作用，但其对流方向是指向地心的，与地心引力方向一致，故不须克服地心引力，更由于其所受的热力远大于地面，故其对流强度将是显著的．尤其是当发生“电离层突然骚扰”事件时，这种对流就会更加强烈．研究表明，太阳处于宁静状态时，通常是不辐射10埃以下的X射线的．这时D层电离主要由太阳辐射的远紫外线、黎曼——α线和银河宇宙线引起，但是，当太阳上爆发耀斑从而发生太阳X射线、紫外线爆发时，1～8埃的太阳X射线可以增加到宁静状态时的103倍，黎曼——α线可增加几十倍．这些增强的辐射具有很大的穿透力，当它们通过电离层而到达。