《解開自然謎團的真相》長篇連載（14）

——用中國智慧解讀大自然的奧秘

（本書已由華齡出版社於2020年10月出版發行，書名《探索自然之謎全三冊》上冊《天地自然》）

第三章 大氣因共振而生風，因共振而成雨

——兼論空氣、水、土壤的起源

在人們的意識中，颳風下雨是那麼自然而然，毫不足奇。風就是空氣的流動，然而空氣的流動卻很不簡單，其中大有學問：空氣為什麼會流動？而且常常是十分快速、猛烈地流動。空氣不會無緣無故地自行流動，尤其不能以驚人的高速自行流動，必須有一種強大的能量推動它才會發生高速流動，那麼是什麼力量推動了空氣的急速流動？風具有方向性，什麼因素決定了風的方向性？正統的科學告訴我們颳風是空氣熱對流和氣壓差造成，但是一場強風竟然將列車吹出軌道！何來如此巨大的溫差氣壓差？現在已廣為人知的下擊暴流，更不可能是熱對流和氣壓差造成的——熱對流是方向向上的對流，怎麼突然向下對流了？看似最平常、最簡單的現象其實卻是最難解的。

降雨同樣如此，一場傾盆大雨宛若一個空中之海傾瀉而下，用“潮溼空氣上升冷凝成雨”這樣的“先進理論”絕對無法合理解釋。從一個微小的凝結核成長為一個雨滴，體積驟然增長萬億倍！哪來如此之高的凝結速率？

所以說，現代科學對風、雨等自然現象的研究還遠未接觸其實質。人們最為司空見慣的現象中同樣隱藏著玄奧難解的大自然奧秘，風、雨、雪、雹等的成因都還是未解之謎。

最大的風暴超過17級，曾經觀測到最大風速為110米/秒的颱風，其中蘊藏著巨大能量。科學家曾估算，一箇中等強度的颱風所釋放的能量相當於上百個氫彈或10億噸黃色炸藥所釋放能量的總和。那麼一個最大強度的颱風釋放的能量應該並不亞於一場大地震。即使一場普通風暴，釋放的能量也是足夠巨大的。那麼，誰賦予了颱風和普通風暴如此巨大的能量？風的能量來源仍然是個謎。而且，又是什麼機制在掌控著風向？降雨、降雪、降冰雹的成因機制也面臨著同樣的困境，相關的專業文獻甚至都沒有關注這類問題。

現有理論尚不能解釋風、雨、雪、雹的成因機制。這有可能是由於我們對這些問題的基本認識有誤造成的。本章結合大氣物理學、大氣化學、大氣電學、空間物理學、等離子體物理學、氣象學等學科的研究成果和觀測結果，提出“大氣因共振而生風，因共振和等離子體複合而成雨”的新觀點，較好地解釋了風、雨、雪、雹等的成因機制。

風雨雷電，是最為人們所熟知，最貼近人們的耳目感官，人人可得而觀之的自然現象。然而，對於這些司空見慣的現象，人類卻迄今沒有得到對他們的完整認識，許多奧秘尚未揭開。諸如所謂“雲中起電”的機制，雲滴、雨滴的生成機制等，都未形成與觀測事實相一致、能說明各種現象的理論體系。

1.風雨成因的現代解釋

對於風的成因，目前一般解釋為，一是由於太陽加熱地面導致的空氣熱對流；再就是由於溫度高的氣體膨脹，密度小，溫度低的氣體收縮，密度大，這樣在冷空氣和暖空氣之間會出現水平氣壓梯度力，在水平氣壓梯度力的作用下，氣壓高的冷空氣就會向氣壓低的暖空氣中流動，於是就形成了風。此外，還有地球自轉以及天體引潮力的影響等。

然而，這樣的機制似乎只能解釋一些平穩、微弱的小風、微風，不能解釋颱風、龍捲風、颶風、颮風等等之類的強風。一方面，颱風、龍捲風的渦旋特徵難以用“氣壓梯度力”或“熱對流”加以說明，另一方面，它的猛烈程度、巨大的風速以及所謂颮風的爆發性，都難以用“氣壓梯度力”和“熱對流”加以說明。如“對強颱風，海洋上最大風速一般可達60—70米/秒，曾經觀測到最大風速為110米/秒的颱風。”[1]不言而喻，“熱對流”和“水平氣壓梯度力”都不足以產生這樣的強風。因為人所共知，水即使被加熱到100℃，也只是表現為並不太劇烈的沸騰而已；空氣被加熱時如煙囪中冒出的煙，雖然被數百度乃至上千度的高溫烘烤著，其運動速度往往也並不很劇烈。更不用說因太陽輻射導致的低層大氣溫度常常只有數十度，溫差也並不很大，更不足以引起類似颶風、颱風、颮風這樣十分猛烈的強風。

對於雨、雪的成因，現代科學解釋為：雨雪是由海洋、江河湖泊中的水受太陽照射蒸發，進入大氣，由於太陽加熱地面導致空氣對流上升，含有水蒸氣的空氣進入高空遇冷而重新凝結為雲，雲粒子又發生碰並增長等過程而形成雨雪。

但是，即便用這樣的理論用來解釋平緩的小雨也遇到了巨大的困難，更無法解釋暴雨、巨大冰雹等特殊氣象現象。這些理論與人們觀察到的現象相去太遠，無法令人心悅誠服。

首先面臨的問題是：在炎炎烈日下和乾燥、熾熱的空氣中，被蒸發的水分是否能夠長時間地以水分子的形態存在？因為被蒸發的水並非徑直走到高空就立即遇冷凝結為水，而是要經歷很長時間的，強烈的陽光和宇宙射線能使空氣發生電離，同樣也能使水分子發生離解和電離。被蒸發的水分子在乾燥、熾熱的空氣中漂浮數天、數十天以後還有多少能以水分子形態存在，是一個嚴重問題。

顯而易見的是，被蒸發的水分子在大氣中的運動路徑上遇到的太陽光子“炮彈”的轟擊是十分密集的，尤其在夏季太陽直射時更是如此。也許用不了很長距離，就會有很大一部分水分子被離解為氧原子和氫原子，一部分被電離為氧離子和氫離子——來自太陽的高能光子和其他高能粒子足以使水分子分崩離析、土崩瓦解。水蒸氣在大氣中運動的距離越長，這種情況就會越多發生。

“潮溼空氣對流上升冷凝成雨說”面臨的第二個困難問題是：根據熱帶地區觀測，有些雷雨雲為暖雲。[2]“理論無法解釋在自然界中經常發生的暖雲降水過程。”[3]你說是冷凝成雨，可偏偏暖雲也能下雨。於是學者們便不得不去尋找一些新的理論來解釋暖雲降雨。

再者，人們早已注意到，“雲滴從大氣凝結核上形成，並長大成雨滴是一個十分艱鉅的過程。以對流雲為例，它的雲滴半徑一般為10μm，若大氣凝結核的大小以0.1μm計算，則從一個凝結核上成長為雲滴時，它的體積要增加一百萬倍。對流雲降水其雨滴半徑一般為1000μm。以此計算，則一個雲滴長大成為雨滴時，其體積又要增加一百萬倍。對於開始的凝結核而言，則是增加到1012倍（萬億倍）。而在大氣中這過程又是在很短時間內完成的（對流雲降水性質為陣雨）。因此，這確實是一個十分驚人的快速過程。[3]

認為是潮溼空氣對流上升成雲的觀點尤其不能解釋暴雨、大暴雨的發生機制——那些數小時甚至一小時就下了數百乃至上千毫米的豪雨、“傾盆大雨”、“瓢潑大雨”，需要有體積多麼龐大的“潮溼空氣”以多麼快的速率上升並凝結啊！而且這需要天空有一個效率多麼高的“製冷機”啊！否則潮溼空氣是無法快速冷凝成雨的。而在降雨過程中，尤其在瓢潑式的降雨過程中，高度密集的雨滴會使空氣上升受到巨大阻力，使空氣難以快速上升。何況地面上又一時哪裡來那麼多潮溼空氣呢？如果是從海洋上空輸送而來的，那又需要多麼高的輸運速率呢？而潮溼空氣又何不在海洋上空就凝結成雨呢？所以這是一個顯見的矛盾：雨下得越急，“潮溼空氣”就得上升得越快——以提供更多的雨水。但潮溼空氣上升得越快，對雲層的衝擊力就會越大，以至於很快就會把積雨雲吹跑，雨何從而下？

何況，實驗研究證明，“水均質成核需要過飽和度達320%，而實際大氣中過飽和度很少達到1%。”[4]這是多麼巨大的懸殊！雖然人們不得不把“水汽凝結”勉強解釋為“大氣中總是存在相當數量的凝結核”，但“原則上”也必須“要有足夠高的水汽過飽和度”。可惜實際大氣卻滿足不了這樣高的水汽過飽和度。

人們也早已注意到，“只靠氣柱內的水汽上升凝結並全部降落也不足以造成一場特大暴雨。以1975年8月河南林莊大暴雨為例，林莊附近當日氣柱中的可降水量為80毫米，而24小時雨量為1060毫米，後者為前者的13.3倍。又如1981年7月四川大暴雨期間，成都龍泉驛站24小時雨量314毫米，而大氣中的可降水量只不過70毫米（13日），前者為後者的4.5倍。[5]

所以，“截至目前為止，暴雨形成機制還不完全清楚，尤其是特大暴雨的成因，尚有待於詳細分析研究”。[5]

這充分說明，降雨並不是靠榨乾空氣中現有的水分來實現的，因為降雨過後空氣的溼度比降雨之前還要大。降雨是大氣層“共振造雨”導致的。

如果說虧缺的水汽是由遠處輸運而來，則需要很高的輸運速率，這必然形成大風（且輸運的水汽必須貼近地面才能對流上升），而大風又會將積雨雲吹跑。這是一個嚴重的矛盾。而每一個人都有的經驗是：凡暴雨時空氣都是很穩定的、基本無風的，有強風的雨很快會停止而晴天。

現有的理論也不能解釋冰雹尤其是巨大冰雹的成因。因為“要造成地面成災的冰雹直徑應在5毫米以上，考慮到降落時將經過2—4千米以上厚度的正溫區（溫度大於0℃）而融化問題，雲中冰雹直徑應大於1釐米，為支託這樣大小的冰雹，雲中必須有大於15米/秒以上的強上升氣流（相當於7級風）。[1]而如果是像雞蛋、拳頭一樣大甚至更大的冰雹，則需要多麼強的上升氣流，又需要多麼長的生長時間呢？並且，理論計算和實驗表明，要在十來分鐘時間裡從冰雹胚胎增長到1釐米直徑的冰雹，則雲中含水量至少應大於10克/米3，[1]何況還有像雞蛋、拳頭一樣大甚至更大的冰雹。

而積雨雲內最大含水量往往才達到0.45—1.0克/米3。[6]

實際的情況是，有些罕見冰雹，大得足夠驚人。如“1923年10月23日《申報》10版報道一則《陝北空前大冰雹》雲：（冰雹）方其降時，初僅若豆，繼則若卵，後竟若拳，損傷人畜田禾不知凡幾。雹止後，橫山縣官紳，出城驗災，則半里至沙灘，突遇一物，透明結晶，高丈餘，直立地上，就地掘三尺餘深，猶未盡其根，周圍十人，莫能合抱，……及日出，始知為最大之冰雹也。”

又，清劉獻庭《廣陽雜記》卷二第80頁載：“太白，……地高寒冷侵人且多雹，有片雲起雹即落，有大如屋者，路見雲色異即疾走山岩下以免，若行遲或不諳徑，多為雹傷。”

清傅維麟《叢書整合·明書》卷二十八·志·司天志第714頁載：“明成化八年七月隴州雨雹，如牛者，五、六日始消。”第717頁載：“崇禎元年山西大雨雹如象，經月不消。”道光廣東《新會縣誌》卷十四載：“清嘉慶十一年丙寅二月二十二日雨雹如拳如鬥如牛，大者重數百斤，落處地為之震，而潮陽湖居壞廬舍尤多。”[7]

周密《稽神錄》載：“國初楊汀自言天祐初在彭城避暑於佛寺，雨雹方甚，忽聞大聲震地，走視門下乃下一大雹於街中，其高與寺樓等，入地可丈餘。……經月雹乃消盡。”[7]

清·許瑤光、吳仰賢《嘉興府志》卷三五載：同治十一年三月十一日大雨雹，大者十七斤。

清·林採《沙縣誌》卷一一載，（萬曆）三十六年二月二十九日戌時地震，雨雹，大者如巨石，自西至東百餘里，民屋擊壞。

明·喬允升《太谷縣志》卷八載：嘉靖十七年，六月二十七日，大雨雹，有如斗大。

如牛如象，高與寺樓等，十人莫圍的巨雹，需要多長的“生長時間”，又需要多麼強大的“氣流”才能托住讓它長大呢？

另外，按照蒸發——冷凝成雨機制，只能認為地球從一誕生就存在海洋湖河，幾十億年以來一直在重複著這樣的蒸發——降雨的迴圈過程。如果地球誕生之初並沒有海洋湖河，水就無從蒸發，也無從降雨。而這顯然是不符合實際的。地球上的水是一個從無到有，從少到多的過程。蒸發——冷凝成雨機制顯然不足以說明這樣的過程。

誠然，被蒸發的海洋湖河中的水，一部分最終可能會以水的形態回到地面，但它可能是經過蒸發→水蒸氣→氫氣、氧氣（或氫原子、氧原子）→氫離子、氧離子→降雨這樣的迴圈過程的，而不是蒸發→水蒸氣→降雨這樣簡單的迴圈過程。當然，也不排除極少部分水分經歷了這樣的簡單過程，但這可能不是水迴圈的主流環節。

對於雷電的成因，現有理論認為，由於某種“起電機制”而使雲中正負電荷不斷分離，當正負電荷中心電場達到一定強度後，擊穿空氣產生閃電，並使空氣振動形成雷聲。

關於雲中電荷如何產生和分離，一個世紀以來眾多研究者曾提出過多種理論和假說，如離子選擇捕俘起電，離子擴散起電，極化起電，水滴破碎起電，對流驅動機制，水的凍結和融化起電，冰晶的碰撞和破裂起電，凇附起電等等。[8]但這些機制常常都適應於所有的積雨雲，難以說明為什麼有些降雨或降雪過程沒有閃電（它們同樣存在上述機制），而且這些起電機制的起電效率往往較低，難以解釋一些間隔時間極短的密集閃電。

同時，由於閃電是一個能量釋放過程，作為它的逆過程，“雲中起電”必須要有相應的能量輸入，而現有機制並不能提供這樣的能量輸入。

現有的起電理論尤其無法解釋那些罕見的奇異的雷電現象。如民國《大荔縣誌·足徵錄·異徵》記載：“民國二十二年六月二十二日雞鳴時天黑如墨，電光閃耀，如自天降如自地起，上下融成一片，而雷聲隆隆如轉磨如迴圈，無從辨其起訖，經兩小時而後止。”

1931年《美國氣象學會會志》十二卷130頁刊載了《最奇怪的閃電》一則：1927年10月3日著名的德國氣象學家瓦爾特·克諾赫博士在坐汽船從南美洲的巴拉圭河順流而下的航程中偶然見到了一場閃電，……在電暴之前或電暴期間都沒有下雨。下午7點鐘沒有預兆，突然整個天空都開始了電暴。克諾赫博士說：即使想要大概計算一下閃光的數目，恐怕也是不可能的。……這樣壯觀的場面持續了好幾個小時卻沒有打雷。……雷聲突然在半夜一點半開始，以後一直持續到凌晨4點。最後的閃電是在上午8點鐘在汽船的後面看到的。

1993年8月13日《中國科學報》載：“美國東海岸今年3月中旬的一場暴風雪曾產生大約5。9萬次閃電。”[9]

現有的任何一種起電機制都不足以說明雲中（或大氣中）為何會有如此之高的“起電”效率，能在極短時間內積聚巨大能量。

那麼雲中起電的真實機制是什麼呢？人所共見，一些積雨雲風平浪靜，悄無聲息，不發生雷電；一些積雨雲卻會突然由平靜轉為狂暴，電閃雷鳴且連續不斷。更有極少數積雨雲會突然形成或大型或小型龍捲風，甚至颱風。這些現象表明，積雨雲中初始的帶電量並不大，後來帶電量卻突然增大，因此必定存在某種快速高效的起電機制，才能在起初並無雷電或龍捲風的積雨雲中產生雷電或龍捲風，釋放出巨大能量。這樣的起電機制此前並未被找到。

要找到真實的起電機制，必須能夠解釋積雨雲中的各種現象。對積雨雲而言，共存在5種基本現象：1.只陰天，既不發生閃電也不降雨；2.只降雨，不發生閃電；3.只發生閃電，不降雨；4.既發生閃電又降雨；5.引發龍捲風或颱風。

實際上，起電意味著能量的增加，因此起電機制必定是一個增能機制，在自然界，普遍存在的增能機制就是共振，因此，雲中起電的真實機制可能就是“共振起電”。

在積雨雲中，如果帶電粒子形成的電磁場輻射電磁波，且電磁波的頻率與積雨雲固有的振動頻率相同，就會產生共振，使能量增加，從而快速起電並導致閃電發生。也只有共振才能如此快速、高效起電。舍此無二。這樣的起電機制導致第3種“只打雷，不下雨”的現象。另一種可能的機制是：雨雲中形成了無數個微型穩態磁場，磁場中的洛倫茲力引發帶電粒子迴旋共振（這同時也是本書提出的成雨機制），迴旋共振導致的快速旋轉和劇烈摩擦會產生大量帶電粒子，這就是迴旋共振的起電機制。這樣的機制會導致第4種“既打雷又下雨”的現象。

反過來，如果積雨雲中的帶電粒子形成的電磁場不輻射電磁波，或者輻射電磁波的頻率與積雨雲固有的頻率不同，就不能發生共振，也不會起電；如果也未形成穩態磁場，不能引發迴旋共振，因而也不會起電，同時也形不成雨滴，這樣的積雨雲就既不會發生閃電也不會降雨。這樣就解釋了第1種既不發生閃電也不降雨的現象。第2種現象的可能原因是：因迴旋共振產生的帶電粒子會被剛形成的雨滴吸收（水能消除靜電），如果帶電粒子的產出率與吸收率達到平衡點或產出率低於吸收率，就會出現只降雨不發生閃電的現象。只有當積雨雲中水汽較少或共振造水速率較低，迴旋共振起電產生的帶電粒子的產出率大於吸收率，即存在富餘等離子體時，才會發生既有閃電又降雨的現象。當積雨雲中較大面積（但仍然只是區域性）的帶電粒子形成整體穩態磁場時，洛倫茲力引發大體量帶電粒子迴旋共振，就會形成龍捲風；而如果一個巨大的積雨雲中的全部帶電粒子形成了一個統一的整體穩態磁場時，洛倫茲力引發整個積雨雲的迴旋共振，就會形成颱風，即第5種現象。因此，共振起電機制可以合理解釋積雨雲的全部現象。

第一次閃電發生後，如果閃電輻射的電磁波、衝擊波、聲波與積雨雲固有的振動頻率相同，就會再次發生共振，從而快速起電，閃電隨即再次發生；或者，因迴旋共振引發雷電的積雨雲再次發生迴旋共振，閃電也會迅速再次發生，如此迴圈往復，連續閃電就這樣形成了。有時在一塊不大的獨立雲團中就可以發生快速連續閃電，這就是共振起電的神奇魅力，因為這個過程中真空零點能被激發出來了。當然，連續閃電也是小機率事件，更多更普遍的是非連續閃電。

即使沒有積雨雲，只要大氣層中存在帶電粒子形成的電磁場並輻射電磁波，如果電磁波的頻率與帶電粒子團固有的頻率相同，也會產生共振而快速起電；或者形成穩態磁場，洛倫茲力引發迴旋共振而起電，最終都會導致雷電發生。這就是古籍中大量記載的所謂“天鼓鳴”現象，即晴空閃電。

當然，實際的起電機制可能還要複雜得多，會出現多種形式的共振起電並存的情況。但不論共振起電的具體機制有多少種，“因共振而起電”的基本思想是可以確立無疑的。不發生電磁共振，就不會起電。

（未完待續，接下篇）