閃電為什麼強大？我們能將太空中的閃電收集起來加以利用嗎？

閃電發生的過程

閃電是地球大氣層中常見的天氣現象之一，當天空中雲層聚集，在不同溫度氣流的驅動下，雲層中的水氣分子和細小顆粒之間會相互碰撞摩擦，特別是兩個雲團之間的水氣顆粒之間的摩擦最為劇烈。

我們知道，物質都是由分子、原子構成的，原子的外層是電子。當兩個分子或分子團相互摩擦時，分子團最外層的一部分電子會發生交換，有些分子得到電子的能力比較強，它們會從對方分子那裡搶來電子。電子是帶負電荷的，這樣搶到電子的一方帶了負電、失去電子的一方就帶了正電。

雲層中的小顆粒大量擠撞摩擦，會產生帶正電的雲團和帶負電的雲團，失去電子的雲團由於更輕，它們會處於上方；帶大量負電荷的雲團處於更靠近地面的位置，同時它會透過感應作用讓附近的地面物體帶上正電荷。

（雲層中電荷分佈以及地面感應電場）

空氣是電的不良導體，它不容易被擊穿，所以隨著雲層中的電荷越聚越多，雲層與地面間的電場強度也越來越大，地面正電荷會向樹梢、屋頂等更接近天空的地方聚集，試圖建立電流通道。與此同時，雲層中的負電荷也在向下方尋找通路。當電場強度上升到10kV/cm時，空氣被電離，電流通道瞬間建立，閃電發生。

（空氣被電離，電流通道建立）

當然，閃電也會發生在兩個雲團之間，當雲層的電場足夠強，電流還可能向高空的大氣電離層噴射。

（四分之三以上的閃電發生在雲團之間）

閃電發生的過程

說到這裡你可能會有點失望。我們以為閃電很強烈，它應該攜帶著極其巨大的電能，遺憾的是絕大多數情況下並不是如此。當局部電場超過潮溼空氣的介電強度（每米約300萬伏特）時，空氣就能被擊穿，所以閃電放電通常會有個上下限值。

閃電瞬間釋放強大的電流，給人以強烈的震撼。負閃電的平均帶有30000 安培（30 kA）的電流，最強的負閃電釋放的電流高達120kA。正閃電往往比負閃電強烈得多，它可以產生最高達400000安培（400 kA）的峰值電流。

閃電釋放電流的時間極其短暫，我們判斷閃電的強弱需要看它到底釋放了多少能量，通常來說一次閃電所攜帶的能量大約在500~1000 兆焦耳之間。在地球大氣的環境下，閃電的強弱取決於潮溼空氣的介電強度，電場只要達到300萬伏特/米這個數值就會擊穿空氣發生閃電。

（閃電的強弱與潮溼空氣的介電強度有關，它在空氣中的路徑是不規則的）

1焦耳能量是多少？

你把一顆2兩重的番茄向上扔1米，所需要的能量是1焦耳；

將1克水加熱0。24℃，需要1焦耳能量，1000 兆焦耳大約能把2。5噸水從4℃燒開；

將1W的LED燈珠點亮1秒鐘，能量是1焦耳，所以1焦耳就是1W？s。

1度電是1千瓦時（1kW？h）， 因此1kW？h是1000W×3600s = 3。6MJ（兆焦耳）

我們已經知道一次閃電最多能釋放1000MJ，也就是說一次閃電釋放的電能最多是280度電。

透過計算，你應該意識到閃電看起來很厲害，但它釋放的能量並不如想象中的那麼大。

（閃電的能量短暫且集中，因此看起來很強大）

閃電有多強？

閃電是一種自然發生的靜電放電，當閃電發生時大氣或地面中的兩個帶電區域暫時自我均衡，同時瞬間釋放多達十億焦耳的能量。地球上大約每秒會發生44次左右閃電，每年總共會發生近14 億次，其中雲對地的閃電約3。5億次，平均每次閃電持續時間為0。2秒。如果能將這些電能全部收集起來並加以利用，自然是件極好的事情。

（想利用閃電很難）

問題是我們如何才能收集閃電？它在地球上隨機發生，並且閃電發生的地點也是隨機的。許多因素會影響世界特定地區典型閃電的頻率、分佈、強度和物理特性。這些因素包括地面高程、緯度、盛行風流、相對溼度、接近溫暖和冷水體等，你只有在滿足許多條件的情況下才能收集其中極小一部分電能。

我們需要在雷雨和閃電多發的地方建設數百米的高塔，並且需要一種可以在1~10微秒內達到充電峰值的超級電容，它們可以承受400kA的瞬態強大電流、儲存超過500庫倫的電荷。這都是極難實現的工程目標。即便我們在技術上能做到，以鉅額的建設和維護投資，每次收集幾千度電在商業上也是不划算的，商業發電要求的就是持續穩定地供電，收集閃電純粹就是“靠天吃飯”。

（儘管埃菲爾鐵塔很高，但閃電避開了它，只是因拍攝的角度的關係，看起來像是擊中了）

閃電有多強？

目前已知的閃電現象主要發生在地球以及幾個擁有稠密大氣的行星（比如木星與土星，金星上也被發現可能存在閃電），因為閃電發生的前提是空氣微粒的相互摩擦；稠密的大氣也使得建立放電通道成為可能。超新星產生的一些高能宇宙射線以及來自太陽風的太陽粒子進入大氣並使空氣通電，這也可能產生閃電通道。

（木星大氣層的一次閃電）

星際空間的氣體物質極其稀薄，原子之間相互孤立甚至老死不相往來，那裡基本不會發生閃電現象。

在太陽系形成的過程中，太陽系原始塵埃會在太陽吸積作用下聚集，大大小小的氣體分子和顆粒物相互擠撞摩擦，因此在太陽吸積盤中會頻繁地發生閃電現象，其它恆星在形成過程中也大致如此。只不過無論是恆星吸積過程中的閃電還是其它行星大氣裡的閃電，都是人類沒有辦法收集和利用的。

如何收集和儲存閃電能量？

透過本文的介紹和整理，我們應該大致瞭解了閃電發生的條件、形成過程以及它產生能量的大小。儘管來勢洶洶，氣勢很大，實際上每一次閃電所釋放的能量是有限的，還不夠三口之家一個夏天的用電量。投入巨資建設“閃充電站”然後坐等閃電發生相當於搬石頭打天，在商業上不合算，還不如多建幾個太陽能電站來的現實。

至於說“去太空收集閃電”，更是天方夜譚，開啟腦洞想一想就好。