雷電是雷雨雲中的放電現象。形成雷雨雲要具備一定的條件，即空氣中要有充足的水汽，要有使溼空氣上升的動力，空氣要能產生劇烈的對流運動。春夏季節，由於受南方暖溼氣流影響，空氣潮溼，同時太陽輻射強烈，近地面空氣不斷受熱而上升，上層的冷空氣下沉，易形成強烈對流，所以多雷雨，甚至降冰雹。 而冬季由於受大陸冷氣團控制，空氣寒冷而乾燥，加之太陽輻射弱，空氣不易形成劇烈對流，因而很少發生雷陣雨。但有時冬季天氣偏暖，暖溼空氣勢力較強，當北方偶有較強冷空氣南下，暖溼空氣被迫抬升，對流加劇，就會形成雷陣雨，出現所謂“雷打冬”的現象。氣象專家還說，雷暴的產生不是取決於溫度本身，而是取決於溫度的上下分佈。也就是說，冬天雖然氣溫不高，但如果上下溫差達到一定值時，也能形成強對流，產生雷暴。冬打雷在中國很少見，但在加拿大多倫多的冬天就經常出現 空氣極不穩定的時候，容易發生強烈的向上對流運動，而形成高聳的積雨雲，雲中充滿上上下下奔竄的水汽，就會產生靜電，雲的上端會產生正電荷，雲的下端會產生負電荷，地面又是正電荷，那麼，正、負電荷之間有空氣作為絕緣體，若正、負電荷間的電壓差，大到可以衝破絕緣體的空氣，使空氣在瞬間膨脹爆炸、發熱發光，發光就是閃電，膨脹爆炸發出巨大聲響就是打雷。

因為陰天，天空密佈了很多帶電雲，並且雲層空氣的溼度較大，這就形成了雷電產生了條件。

特別是在很陰沉的天空，雲裡面有著大量的水蒸氣，這種雲有一個名字叫積雨雲，而雷電呢，多形成於積雨雲中。說白了，雷電就是大氣中的放電現象，那是怎麼就產生了雷電呢？

在要下雨前是不是會看到一種現象: 天上的雲運動的比較劇烈，雲與雲之間到處亂撞，並且還忽然來了幾朵烏雲，迅速佈滿天空，遮天蔽日、天昏地暗，這個時候，就產生了雷電。原來呀這是積雨雲隨著溫度和氣流的變化會不停地運動變化，那麼在不斷的運動中就摩擦生電，就形成了帶電荷的雲層，這些帶電雲層有可能是正電，有可能是負電，這就導致了天空中存在著帶不同種電荷的帶電雲。

這裡有兩種情況，一種情況是帶電雲層之間的放電，另一種情況是較低雲層與地面之間的放電。過程是這樣的: 帶電雲層之間或與地面之間，就由於帶異種電荷而形成很強的電場，當有帶電粒子進入時就會被加速並行高速運動，高速運動的同時就會碰撞空氣分子，使其發生電離，它們再加速，再碰撞，這個過程被不斷重複，在瞬間就產生大量帶電粒子，形成放電通道。由於在這一過程中大量粒子相互碰撞，電場能在瞬間轉化為機械能和內能，產生極高的溫度，氣體急劇膨脹而產生爆炸聲，這就是我們通常說說的雷聲，極高溫氣體向外發光就是我們所說的閃電。

打雷和閃電是同時發生的,是由於帶異種電荷的雲層或雲層與大地之間的一種放電現象,當帶異種電荷的雲層相互間的距離由於運動而縮小到一定距離時,正負電荷間的強大電勢差將空氣擊穿而發生瞬間放電,放電時產生的放電火花就是我們見到的閃電,同時放電時產生的聲音就是雷聲. \n同理,當帶電雲層運動時,地面相對應的地方產生感應電荷,若雲層與地面或地面高大物體間距離較小,則雲層與物體間的空氣被擊穿而發生瞬間放電產生雷電. \n我們先看到閃電後聽到雷聲,是因此光的傳播速度比聲音的傳播速度大得多,因此先看見閃電後聽見雷聲雷定義為伴隨閃電而產生的聲輻射.廣義而言,雷與雷暴周圍大氣的所有流體動力學性質有關.雷可分為兩部分.一是人耳可以聽到的聲能量,稱為雷聲,二是次聲,頻率低於人耳能夠聽到的雷聲,通常在幾十赫茲以下.一般認為這兩種雷所對應的物理機制不同.可以聽到的雷聲被認為是加熱的閃電通道的迅速擴張而引起的,而次聲則被認為是當閃電使雲中的電場迅速減少時儲存在雷暴雲靜電場中的能量轉換而產生的.

實際上有關雷的研究大部分都是早期的工作,有關的評述可以參考Uman（1987）,Hill（1977,1979）,Few（1974,1975,1981）的有關著作.本書只給出較粗略的描述.

雷聲及其產生機制

對於雷的描述已經有兩千多年的歷史,但是直到1963年Malan（1963）才第一次使用現代術語描述了近處雷電發出的聲音.之後Latham（1964）, Nakano and Takeuti（1970）以及Uman and Evans（1977）都對雷聲進行了實際測量.對雷聲的普遍描述是：當閃電打在距觀測者100m以內時,出現的聲音首先為“咔”聲,然後象抽鞭子般的噼啪聲,最後變成雷特有的持續隆隆聲.Malan（1963）認為“咔”聲是由地面向上的主連線先導放電造成的.噼啪聲由離觀測者最近的回擊通道部分產生的衝擊波所引起.隆隆聲則來自於彎曲放電通道的較高部位.而當閃擊點離觀測者數百米遠時,在第一聲炸雷（clap）發生之前,人耳聽到的第一聲類似於撕布的聲音,這種聲音持續近一秒鐘,接著出現響亮的炸雷.這種撕布的聲音起源於（1）垂直的放電通道,其長度與距觀測者距離相仿.（2）由地面向上的多個連線先導過程.Hill（1977）曾經從Remillard（ 1960）總結出的有關雷的十二條事實中選擇了其中 最主要的七個：

(1) 雲地閃電通常產生最響的雷.

(2) 在超過十英里左右的距離外偶爾才能聞雷.

(3) 用看到閃電與聽到第一次雷聲之間的時間間隔可以估計閃擊距離.

(4) 大氣湍流能減小雷的可聞度.

(5) 緊接強烈雷鳴之後,常有傾盆大雨.

(6) 雷聲的強度似乎一地不同於另一地.

(7) 當隆隆聲持續時,雷的音調變深沉.

眾所周知,由於聲音在空氣中的傳播速度約為330m/s,而光的傳播速度為3×108m/s,通道發展速度在105m/s以上.因此,利用聲音與光到達觀測者的時間差可以大致估算距觀測者最近的閃電通道離開觀測者的距離.例如,如果到達觀測者的聲光差為10s,則距觀測者最近的閃電通道離開觀測者的距離為330m/s×10s=3.3km.這種方法在野外觀測中是經常使用的.

那麼,雷是如何形成的呢：普遍接受的雷聲成因理論認為,人耳可以聽到的雷聲起源於閃電通道的初始迅速膨脹引發的高壓衝擊波,它在遠距離上退化成為聲波.對回擊通道的光譜分析認為,在不到10μs的時間內回擊通道溫度將達到30000K.由於沒有足夠的時間使得通道的粒子濃度發生顯著改變,因此通道的壓力將由於溫度的升高而迅速增加.在前5μs內平均的通道壓力可以達到10個巴.這樣一個通道過壓將會導致強烈的衝擊波使得通道迅速膨脹.

Abramson等（1947）最先從理論上指出,當氣體中發生火花擊穿和增溫時,則會出現等離子體的突然膨脹,並伴有衝擊波.在此基礎上,發展了一種解析方法來解這種沿無限窄的線源、瞬時釋放能量的理想情況下的流體動力學問題.這種解析方法隨後又被Drabkina（1951）推廣到在擊穿通道中逐漸聚集能量的情況.以後這一理論又被Braginskii（ 1958）進一步推廣並應用到閃電的情況.Sakurai（1953）和Lin（ 1954）給出了沿無限窄線源瞬時釋放能量的類似的解析解.

完善描述閃電通道的增長要涉及許多因素,例如輻射傳輸、主回擊電流前通道中的初始條件、輸人電流的時間分佈、通道等離子體中電能向熱能的轉換、通道的耗損等物理特性以及通道的長度和彎曲情況等幾何特性.雖然Troutman（1969）,Colgate 和McKee（1969）,Hill（1971）,Plooster（1971a）以及Few（1969,1981）都曾嘗試著論述了更接近閃電通道情況的通道增長問題,但是至今所有的處理方法都只考慮初始能量在圓柱體中對稱分佈的情況,還沒有模擬真實的彎曲閃電通道的嘗試.不過,對有限大小的線源,所有的結果都證實了當閃電通道每單位長度中聚集極高的能量時,要產生過壓強衝擊波.

Few（1969,1981）提出,雷的功率譜具有球對稱的膨脹衝擊波特徵.假定行為如同“點源”的一小段通道的平均長度等於3/4倍通道的特徵半徑R0,則R0=（En/πP0）1/2,這裡En是每單位長度通道中的能量耗散,P0是環境壓力.功率譜極大值的頻率fm＝0.63C0（P0/E）,這裡C0是聲速.

雖然對閃電產生的衝擊波的傳播尚未進行足夠的實驗,但Holmes et al.(1971a), Dawson et al.(1968)以及Uman et al.(1970)對實驗室長火花放電產生的衝擊波衰減進行了測量,實驗基本上證實了上述Few的衝擊波理論.

與產生上述可聽見雷聲的熱通道機制不同,次聲可能與閃電使雲電荷的分佈改變後引起的雲內靜電場的張弛有關(Few, 1985).實際上到目前為止,儘管對這兩種過程的產生機理有物理模式進行描述,但是這兩類機制的直接證據是什麼,這兩類機制對觀測到的雷的壓力變化的貢獻如何等等,仍然沒有解決.

利用雷聲對閃電通道的重構

如果不在一條直線上的三個或三個以上的話筒同時記錄到了一次雷聲的主要特徵,則可以利用到達每一個話筒的聲光差來確定聲源的位置.通常有兩種不同的方法.比較準確的方法是線狀跟蹤法（ray tracing）,它可以給出一次雷聲事件中的多個聲源點,從而可對閃電的放電通道進行重構.這種方法中,話筒之間距離相對較近,一般為幾十米.利用聲波的主要特徵到達每一個話筒的時間差可以確定入射聲波的方向,再利用閃電到達話筒陣的聲光差對方向射線進行數學回歸則可以確定放電源的位置.使用這一方法對閃電放電通道的重構技術可以參看Few and Teer(1974), Nakano（1976）和MacGoman et al.（1981）的文章.

聲定位的另一種方法被稱為雷測距（thunder ranging）,這種方法中三個話筒相距較遠,一般在公里量級,測得的位置一般誤差較大.按照Few（1981）的理論,聲訊號到達相距100m以上距離的兩個話筒時由於傳播路徑的不同將變為不相關的,但是一些粗略的特徵在相距公里量級的兩個話筒上仍然具有相關性.對於炸雷而言,到達一個測站的聲光差可以用來確定一個可能源位置的球面.三個話筒得到的三個球面相交的點則是炸雷發生位置.利用這種方法對閃電通道的重構可以參看Uman et al.（1978）的文章.

在雷雨雲中,閃電和雷聲是同時發生的,但由於它們在大氣中的傳播速度相差很大,因此人們總是先看到閃電而後聽到雷聲,光每秒鐘走30萬公里,而聲音只能走340米,所以閃電幾乎是在空氣放電的一瞬間就傳到我們的眼裡,而雷聲則需要經過一段時間後才能傳播到我們的耳朵裡.