《解開自然謎團的真相》長篇連載（16）

——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》）

（接上篇）

3.風暴與降雨存在等離子體複合過程

現象表明，風暴與降雨是極為複雜的物理、化學過程，風暴並不是單純的空氣流動，降雨也不是單純的水汽凝聚，其中都存在等離子體複合現象。

我們知道，大氣科學把大氣層分為若干層，由地面向上依次為：對流層、平流層、中層，中層以上是熱層，也即電離層，電離層以上是磁層。電離層、磁層主要由荷電粒子（電子、質子及各種原子離子、分子離子等）構成。但這只是一種人為的分層，它們之間並不存在截然的界限。

人們已經認識到，太陽輻射加熱地面會引起空氣自下而上的上升對流，卻沒有對太陽能量實際上是從大氣頂層——磁層、電離層進入大氣（自上而下）的這一事實給予足夠的重視。而且，進入頂層大氣的“原初”的太陽射線要比穿過大氣層被大量吸收後到達地面的太陽射線能量強得多。太陽對頂層大氣的加熱同樣能使頂層大氣（磁層、電離層）向低層大氣對流（相關證據見下文），電離層中的等離子體受太陽自上而下的加熱逆對流到低層大氣後，由於低層大氣電離度較低，電場較弱，使等離子體的複合率大於電離率，發生單體複合和共振複合，就形成了雷電和風雨。

為什麼電離層中的等離子體逆對流到低層大氣發生複合，就能產生雷電、風暴和降雨呢？

這裡首先需要介紹一下等離子體的基本概念：等離子體是由帶電粒子和中性粒子組成的一種表現出集體行為的準中性氣體。[10]而且，“氣體中只要有0.1%的分子被電離，就已經具有了等離子體的性質。”[11]就是說，等離子體是由少數帶電粒子和多數中性粒子組成的氣體。

按照等離子體物理學，除非在電場較強，能量較高的情況下，等離子體複合主要表現為分離複合（複合為原子離子或分子離子）外，一般情況下，等離子體將主要複合為中性粒子。大量的中性粒子就會結合形成或氣體、或液體、或固體物質。因此，可以預料，等離子體複合的產物共有四種：1.氣體物質；2.液體物質；3.固體物質；4.等離子體。

由於複合過程是電離的逆過程，物質發生電離時吸收的能量便會在複合過程中釋放出來，所以複合過程是一個放能過程，這個過程會有大量能量釋放出來。

等離子體複合為氣體（氫、氧、氮等各種氣體物質）時就會使空氣增加，而這可能就是空氣起源的源頭，同時釋放能量推動空氣運動，成為風暴的助推劑。等離子體單一地複合為氣體時形成大風並可出現“乾打雷，不下雨”的現象。

等離子體複合為液體（水或其他有機類或無機類液體如血雨、酸雨、黑雨等）時就形成降雨。現象表明，這個過程常常分為兩個過程：第一個過程是等離子體發生單體複合（一對或若干對正負離子的複合），這是一種隨機複合，複合的結果是形成雲、霧；第二個過程是：由於複合後的雲粒子仍帶有正電荷或負電荷並形成電磁場，發生暴雨時，雲團中同時形成無數微型穩態磁場，磁場中的洛倫茲力引發帶電粒子發生拉莫爾迴旋運動，一旦這種迴旋運動角頻率與微型磁場中的水汽分子的固有頻率相同步，就導致水汽分子發生迴旋共振，瞬間即可形成雨滴或冰雹。在某些特殊情況下，等離子體也常常不經過單體複合，而直接發生共振複合，從而形成“晴空暴雨”奇觀。而這可能同時也就是地球之水和海洋湖河起源的源頭。

對於空間等離子體複合成水的認識，蘇聯學者也曾提出：太陽風把由重粒子（質子）組成的微粒帶到大氣圈裡來，這些微粒在大氣圈中與電子結合時變為氫和氧的原子並形成分子。起初形成OH和HO2，它們之間相互反應或單獨與氫作用時生成水分子，同時放熱：

OH＋H

H2O（16卡/克分子）

OH＋OH2

02＋H2O（70。8卡/克分子）[12]

等離子體複合為固體時，就形成冰雹、沙塵暴、鵝卵石、礫石等，而這也可能就是土壤、沙漠起源的源頭。

等離子體複合的結果並不一定全是中性粒子，同時由於能量的猛烈釋放，複合過程還會形成一部分等離子體並使一些中性粒子重新電離為等離子體，使這個過程迴圈演進，而使風暴、暴雨、塵暴得以長時間地維持。複合為等離子體的過程稱為分離複合。

等離子體複合常常同時複合為氣體、液體、固體、等離子體，如颱風過程中，既有狂風，又有暴雨，雨水中有時還夾雜著冰雹、沙塵等。但在某些特殊條件下，也常常單一地複合為氣體、液體（雨滴等），固體（雪、霰、冰雹、沙塵暴等）。大氣層等離子體究竟會複合為什麼形態的物質，可能取決於等離子體中的離子成分和電場狀況。

閃電實質上即是一種“帶有輻射的複合，一個正離子吸收一個電子變成一個激發原子並同時發射光子以帶走剩餘的能量，即：

A+＋e→A*＋ｈυ （1）

這種過程是稀薄等離子體中的主要的複合過程，因此對天文等離子體非常重要。

另外還有三粒子碰撞的複合，一個正離子與兩個電子同時碰撞，其中一個電子與離子結合組成一個激發原子，另一個電子帶走剩餘的能量，即：

A+＋e＋e→A*＋e。 （2）

在比較稠密的等離子體內它是主要的複合形式。

第三種情形是離解複合，一個帶正電的分子離子吸收一個電子而變成一個激發分子，這個分子是非常不穩定的。它幾乎立即離解為一個激發原子和一箇中性原子，即：

（AB）+＋e→(AB)* →A*＋B。 （3）

其中剩餘能量轉化為離解碎片的動能；這種複合形式在電離層中經常出現。[13]這個過程將分子離子轉化為原子，太陽輻射、宇宙射線又會將原子進一步電離為正離子、電子或質子、電子。

這就是說，閃電並不僅僅是正負電荷中心在電場達到一定強度後對空氣的擊穿放電，它的實質是正負離子在達到一定條件後發生的輻射覆合。認識到這一點十分重要。雷電並不僅僅是一種電現象，閃電在本質上是等離子體的複合過程。尤其是使用“正負電荷中和”的概念產生了嚴重的誤導，使人誤認為正負電荷“中和”以後似乎都不存在、消失了。事實是，閃電過後雖然雲中的帶電粒子減少了，但卻有等量的中性物質（粒子）被產生出來了。這個十分重要的結果卻被人們長期忽視了。

目前人類對閃電產生中性物質已有了初步的認識和實際的觀測。如對閃電產生氮氧化物（NOX）的研究與觀測。

周筠珺等利用NOX分析儀和大氣平均電場儀在青海省大通縣對雷暴天氣過程中自然閃電產生的NOX進行了地面觀測。分析結果表明，在雷暴天氣過程中由於閃電的發生，會產生大量的NOX，……在雷暴天氣中，閃電次數與NOX的平均體積混合比峰值個數相同，且峰值由閃電產生。[14]類似的觀測結果證實了閃電（等離子體複合過程）產生中性物質的真實性。

而且，這個過程可能就是空氣的起源過程。根據俄羅斯物理學家庫熱夫斯基的研究，閃電本身是一種熱核聚變過程，這個過程必然存在核合成，由輕核聚合為重核。空氣中的氮、氧等氣體，顯然正是透過這樣的途徑合成出來的。沒有這樣的核合成，人類就不會出現在地球上。

一次閃電有時只合成一種中性物質如氣體，有時則合成兩種或三種中性物質，如同時合成氣體、液體物質，或同時合成氣體、液體、固體物質。如雷雨時的閃電，既有氧化氮、臭氧，又有雨水，還有“雷公墨”被合成出來。

所謂球狀閃電，則可能是在一個等離子體複合單元中自然地達到了一種特殊電場條件，使等離子體的電離率與複合率接近平衡點（複合率仍稍高於電離率），因而複合速率較低，故可以維持一定生存時間的等離子體複合現象。

事實上，此觀點與現有理論是十分吻合的，只不過現有認識忽略了一些重要的細節，從而導致了認識上的差異。——人們常常把閃電解釋為雲中正負電荷發生“中和”而導致的。顯而易見的是，所謂“電荷”並非是虛空的，而總是由離子（包括電子）攜帶的。因此，把閃電描述為“正負電荷發生中和”容易引起誤解，會讓人誤認為似乎正負電荷“中和”之後就都消失了。正確的描述應該是：閃電是正負離子（等離子體）的複合過程。複合後的“電荷”（離子）並未消失，而是轉變成了中性粒子。所以每一次閃電都必定有新的中性物質被“製造”出來。這種物質可以是氣體（補充空氣），可以是液體（降雨），也可以是固體（形成冰雹、沙塵、鵝卵石、礫石、雨花石、寶石等等）。對此人們尚缺乏足夠的明確的認識。

大氣層等離子體的現代來源，主要是太陽風輸送及太陽輻射、宇宙線輻射對空氣、地表物質的電離、離解作用。另外在火山爆發和強烈地震中，地表岩石、土壤也會由於巨大能量的釋放而被電離。火山爆發時噴出岩漿，岩漿已有較高電離度，噴出的水蒸氣、二氧化碳、火山灰等物質也有一部分被電離，所以火山噴發時會有大量元素離子進入大氣。在強烈地震中，由於巨大能量的釋放發生所謂“水土液化”，形成地震湖，在這樣的過程中可能也有大量土壤或岩石被電離。電離後的一部分元素離子進入大氣，在電場條件適當的時候又再次複合為沙塵（形成土壤）、鵝卵石、礫石等等。

太陽輻射一方面把大量帶電粒子輸送至地球，另一方面使地球物質不斷地發生電離，被電離的等離子體又不斷地發生複合，這個過程就創造了地球上的空氣、水、土壤等。

每一次的颱風、颶風、龍捲風等，都會有新的空氣加入到大氣層中，沒有這種隨時隨地的補充，大氣層可能不但無從產生，即便已經形成也早已散逸淨盡了。

每一次的降雨、降雪等，也都會有新的水加入到地球的江河湖海里來，沒有這種不斷的補充，海洋也可能不但無從產生，即便已經形成也早已蒸發淨盡而乾涸了。

每一次的沙塵暴，雨水中夾雜的沙塵，都在使土壤漸漸增厚，沒有這種不斷的灑落，土壤可能就不會出現，即使出現，也會很快被雨水沖刷到海洋中了。

地球上的物質就是這樣不斷地進行著新陳代謝，迴圈往復，從而展現出一個奇幻無比的多彩世界來。

4.太陽加熱頂層大氣的實際過程

那麼，太陽對頂層大氣（磁層、電離層）的輻射加熱能否導致電離層中的等離子體向低層大氣對流呢？這與觀測事實是否相符呢？

目前，大氣科學的研究成果和觀測事實已足以對此做出說明。

我們知道，電離層也被稱為“熱層”，在熱層中，大氣溫度隨高度增加而急劇上升。到大約1000km，白天氣溫可達1250—1750K。這正是由於電離層吸收太陽輻射後空氣分子幾乎都被離解為原子、離子和自由電子。[4]可見太陽對頂層大氣的加熱作用是十分強烈的。

而在電離層以下大約50—80 km的一層大氣叫作中層，中層溫度隨高度的增加而下降，大氣易發生垂直運動。這對電離層向低層大氣的對流是有利的。

在中層以下大約18—50 km左右的大氣層叫平流層，平流層大氣溫度隨高度的增加而上升。是因為在這個高度（距地面20—30千米）存在臭氧層，臭氧層吸收了太陽紫外輻射而導致溫度上升，這也是太陽從頂層向下加熱大氣的一種表現形式。

平流層以下則是對流層，對流層的溫度也是隨高度遞減，這使大氣容易產生較強的垂直運動。

實際的觀測也發現大氣層中存在自上而下的對流，如：“R·賴塔自1969年起在德國巴伐利亞州阿爾卑斯山海拔約3000米的楚格施比茨氣象臺對該地區大氣中放射性元素B7e和P32（認為是宇宙線轟擊平流層大氣形成的）的含量進行監測，以此來指示平流層和對流層大氣之間的互換量。為了弄清楚放射性核素含量的增加與太陽活動的關係，賴塔將太陽耀斑發生日期與之做了比較，發現在耀斑發生後2—3天對流層的放射性核素含量增加。這說明耀斑發生後有空氣從平流層下降到對流層，從而影響天氣的變化。”[15]

上述觀測事實表明，太陽輻射加熱頂層大氣導致電離層中的等離子體向低層大氣的對流是真實存在的。太陽加熱大氣頂層引起的逆對流，雖然要克服浮力的作用，但其對流方向是指向地心的，與地心引力方向一致，故不須克服地心引力，更由於其所受的熱力遠大於地面，故其對流強度將是顯著的。尤其是當發生“電離層突然騷擾”事件時，這種對流就會更加強烈。

研究表明，太陽處於寧靜狀態時，通常是不輻射10埃以下的X射線的。這時D層電離主要由太陽輻射的遠紫外線、黎曼——α線和銀河宇宙線引起，但是，當太陽上爆發耀斑從而發生太陽X射線、紫外線爆發時，1—8埃的太陽X射線可以增加到寧靜狀態時的103倍，黎曼——α線可增加幾十倍。這些增強的輻射具有很大的穿透力，當它們透過電離層而到達低層（主要是D層E層底部）時，在地球上空大約60—100千米的大氣中被吸收，從而使向日面的低層電子濃度劇增。[15]這意味著此時低層大氣電離度顯著增高。隨著時間的演變，當溫度降低、電場減弱時，等離子體複合率大於電離率，就導致一系列諸如風暴、雨雪、沙塵暴等災變。

另外，現代觀測已證實，由於日冕的高溫，太陽的引力不足以把日冕氣體牢牢地吸引在太陽周圍，於是日冕就處於動力平衡，日冕氣體在熱壓力下就連續地向外膨脹流動，形成太陽風。太陽風時時都在吹向地球空間。當白天地球朝向太陽時，太陽風就會正對著地球大氣層噴射。在沒有太陽爆發和冕洞時，日地空間中就被所謂寧靜太陽風充滿，而在有太陽爆發時，寧靜太陽就疊加了由爆發產生的瞬時的太陽風高速流。在有冕洞出現時就再疊加上週期性的冕洞太陽風高速流。這樣的太陽風的吹拂作用，不但會使大氣層等離子體驟然猛增，無疑也會促使磁層、電離層中的等離子體向低層大氣流動。

也就是說，電離層中的較高濃度的等離子體經常會在太陽輻射加熱下逆對流到低層大氣，太陽活動、新星爆發也會使低層大氣電離度增高。在這種情況下，低層大氣就不會像通常認為的那樣帶電粒子很少，而會在一定區域、一定時間內出現帶電粒子濃度較高的狀態，這種狀態就將導致在低層大氣中出現較強電磁場。

這就可以解釋，為什麼溫帶在夏季才會有雷電：正是由於此時太陽直射加熱的逆對流作用使電離層中有較多的等離子體逆對流到低層大氣中，當溫度降低、電場減弱，正負離子發生複合放能時，雷電便產生了。

（未完待續，接下篇）