《雷电之书》 陈章鱼解读

《雷电之书》| 陈章鱼解读

你好，欢迎每天听本书，我是陈章鱼。今天我要为你解读的这本书叫《雷电之书》。书如其名，这本书讲的就是关于雷电的知识。

对于雷电，人类可以说是既熟悉又陌生。在我小时候有一部风靡全国的动画片叫《海尔兄弟》，动画片的主题曲是用小朋友的口吻表达出对这个世界的好奇心，他对大自然提出的第一个问题就是：“为什么会打雷下雨？”

雷电是我们在大自然中最常观察到的现象之一，但是人类对雷电的探索却是一条漫长的道路。其实一直到今天，我们也只是了解了雷电的基本原理，关于雷电还有很多未解之谜。人类想出了各种办法，避免被雷电伤害，同时又发现没有雷电，可能人类文明将被改写，甚至生命都有可能不会在地球上出现。

这本《雷电之书》就向我们展示了人类对雷电的探索之路，还有雷电那些让人类又爱又怕的特质，可以说是一本关于雷电的小百科全书。

这本书的作者冈野大祐是日本东海大学的教授，日本雷电学会会员，多年来从事对雷电的研究。同时，他还是电气电子工程师学会的会员，这个学会是世界上最大的电气电子研究的学术组织。

这本书是一本关于雷电的小百科全书，用问答的形式，聊到了关于雷电的52个问题，包括雷电的形成、雷电的原理、雷电的防护，还包括一些气象和电力的知识科普，可以说内容很丰富。为了解读这本书，我选择了两个主题，把书中大部分的知识串联起来：第一个主题是，从古至今，人类是如何探索雷电的本质的？第二个主题是，人类是怎么防止雷电带来的危害的？

有一点美中不足的是，因为这本书的作者是位日本学者，所以书中的一部分内容，尤其是防范雷电灾害的部分，介绍的都是日本的常见做法，和我们国家的有一些不同。不过没关系，我在大学学习的是电气专业，之后又做过电气工程师，从事过雷电防护方面的工作。我会在解读中以这本《雷电之书》为基础，同时为你补充我们国家在这方面的理念和做法。

我们先来看看，人类是如何探索雷电的本质的？

在古时候，人们没有今天这么多知识，还无法正确解释天上为什么会打雷，所以世界各地都会把打雷与鬼怪神仙联系起来，创造了很多神话故事。因为雷电巨大的威力，人们在神话故事里往往认为雷电是神鬼在发怒。

这本书中提到的人类对雷电的探索，是从近代说起的。我从别的地方找到一些资料，发现在古代，人类已经开始尝试对雷电作出科学的解释。说起来值得我们中国人骄傲，世界上最早尝试对雷电作出科学解释的，是东汉的王充。他在《论衡》这本书中驳斥了雷是神鬼发怒的说法，他猜想，雷电是在太阳热力的作用下产生的，春天开始发生，夏天逐渐频繁，秋冬后越来越少。王充在《论衡》里还猜想，承载雷电的云雾，不是从天而降，而是从地上生发，在天上凝结。

从今天来看，王充这两个猜想都挺符合科学的，因为雷电的产生需要三个必要条件，王充说到了两个：太阳照射产生的温差和上升的水蒸气。

至于第三个必要条件，则要等到一千六百多年之后才被人发现。准确地说，是一群科学家陆续发现的。这其中最著名的就是本杰明·富兰克林的那个风筝实验。

这个故事被写进过教科书，你可能是在课本里读到的。富兰克林在一个雷雨天放飞风筝，在风筝线的末端捆上一把铜钥匙。一道闪电掠过，富兰克林感觉自己的手指有些麻麻的，于是伸手触碰了铜钥匙，一道电光打到他的手上。富兰克林由此确信，雷是一种电现象。

不过，后来有人分析，这个故事是个谣传，富兰克林并没有直接承认过自己真的做过实验，他只是提出过这样的实验设想。

不过在同一个时期，还有其他科学家也在做类似的实验。比如法国科学家达利巴尔，他在小屋里用4个玻璃瓶当脚架，在玻璃瓶上放了一块板，在板上立了一根12米的铁棒，一直伸出小屋。在雷雨天，达利巴尔用接地的电线头靠近铁棒，观察到了铁棒和电线之间的火花。

事实证明，达利巴尔没有直接用手触碰铁棒，绝对是正确的决定。因为后来不久，一位叫里奇曼的物理学家，也许是听说了富兰克林那个风筝的实验设想，决定亲身去实践一下。糟糕的是，在实验进行中，闪电直接击中了他，里奇曼当场死亡。他被认为是世界上有记录的，第一个死于电气实验的人。

也因为这些勇敢的科学家，人们终于收集到了雷电形成三要素的最后一个——电。说得更准确一点，是摩擦产生的电。

经过了一千多年的探索，人们终于发现了雷电形成的三大要素：太阳照射产生的温差、上升的水蒸气、摩擦产生的电。我们终于可以系统地说一说，雷电到底是怎么形成的。

如果你经常听天气预报，应该时常会听到一个词叫“热带低气压”。尤其是在夏天，总会听到哪里哪里受热带低气压影响，未来将出现降雨。

我们都知道，在开放的环境中，温度越高，气压越低。简单来说，太阳照射产生的温差，就是热带低气压的成因。“低气压”意味着当地的空气压力比周围的空气压力更低，由于气压的区别，周围的空气就会涌入。涌进来的空气只有一个地方可以去，那就是向上走去往高空，于是产生了上升气流，带着空气中的水蒸气不断向上。

除了低气压之外，空气因温差形成风，而风又遇到大山的阻隔时，也会形成上升气流。还有，赤道附近的热带岛屿，因为岛屿比海面更容易升温，所以岛屿上空也会产生上升气流。

上升气流把地面的水蒸气送往高空。高空中空气稀薄，气温寒冷，如果地面是30℃，那么5000米的高空气温就会是0℃，到了12000米的高空，气温就会降到-50℃。于是，上升的水蒸气又会凝结成水滴甚至冰晶，这个过程出现了云。

总之，因为太阳照射的温差，产生了气压的差别，进而产生上升气流，接下来就会出现云，这就是孕育雷电的地方。

这种因为上升气流而出现的云，它的垂直高度很高，换句话说“身高”可以达到10000米以上。在它的巨大身躯内，温暖的上升气流和寒冷的下沉气流激烈地摩擦、碰撞，就使得云中的冰晶等粒子都开始带电。

简单来说，这是个摩擦起电的过程。

其实一直到今天，科学家们对于云中粒子具体是怎么带上电的，还没有完全研究明白。但是他们发现，较轻的一些粒子会带上正电荷，较重的一部分粒子会带上负电荷。因为上升气流和地球引力的影响，较轻的粒子带着正电荷上升，较重的粒子带着负电荷下降，于是，这朵云彩的上部开始带正电，底部开始带负电，就成为一朵“雷雨云”。

这时的雷雨云，就像是一块带着巨大能量的电池。

而且科学家们发现，这朵云彩的“身高”越高，底部和顶部的高度差距越大，带着正负电的粒子就会分开越远，生成电的能力也就越强。这就是为什么夏天的雷雨天气会比冬天多，因为夏天地表温度更高，上升气流力量更强，产生的云“身高”也更高。夏季的雷雨云“身高”在8000米到16000米，而冬天的雷雨云“身高”只有4000米到6000米。冬天就算产生雷雨云，也明显没有夏天的电力强劲。

从温差这个角度，我们也能明白，为什么热带出现雷电更多，纬度越高雷电就会出现得越少，就是因为地表的温度。地表温度太低，和高空无法产生那么大的温差，雷雨云也就没法有那么高的“身高”。像是南极和北极这样极端寒冷的地区，至今还没出现过雷电。

人类的活动，也有可能促进雷电的形成。比如科学家们发现，在夏天大城市的夜晚，城市外层的大气开始冷却，而在城市内层，因为人们大量使用空调，室外机排出的高温升高了空气温度，也会产生上升气流，进而发展成雷雨云。还有科学家研究发现，受全球变暖的影响，一个地区的平均温度每上升1℃，平均出现雷电的天数会增加10倍。

到这里，人类用了一千多年的探索，终于掌握了雷电形成的三大要素：太阳照射产生的温差、上升的水蒸气、摩擦产生的电。不过，我们这就算是完全弄明白雷电是怎么回事了吗？其实还没有。

比如，我们前边说到，云中的粒子通过碰撞、摩擦，从而带上了电。其实这个摩擦起电只是一种比较笼统的说法，这些粒子具体是怎么带上电的，为什么有的粒子带正电，有的粒子带负电，科学家们还是没有提出一个大家都能认同的解释。

到目前为止，科学家们提出过四种猜想。

一种叫作“水滴分裂模式” ，科学家们发现，在规模较大的喷泉附近，大气中会含有大量带负电的粒子。经过研究，当水滴从水面分离时，分离出去的水滴就会带上正电，于是科学家们猜想，雷雨云中带电的粒子，可能也是因为它们从水中分离出来时带上的电。

还有科学家提出一种猜想“冰晶碰撞模式”，科学家们猜想，就是冰晶之间的相互碰撞产生了电。不过科学家在实验室模拟雷雨云中冰晶的情况，发现实验的结果不足以解释雷雨云中的情况。于是，有的科学家更进一步，在“冰晶碰撞模式”的基础上提出了“温度差模式”。科学家在实验室里让冰晶之间形成温度差，然后让冰晶相互碰撞，结果发现不同温度的冰晶都各自带上了电。

不过科学家们通过实验发现，不管是“水滴分裂模式”，还是“温度差模式”，确实都产生了电，但是电量都很小，和真实雷电的巨大能量并不相符。

所以又有科学家提出了更新的猜想，叫作“结冰电荷模式”。这种猜想是说，在云彩中气温-10℃的地方，会产生“霰”。霰是过冷水滴（低于0℃的未冻结水滴）凝固在雪晶上产生的球状固体。冬天有的地方能看到雾凇，就和霰形成的机制很类似。总之，霰和冰晶都是由水凝结而成，但是结构不同，它们在云中相互碰撞，就会带有不同的电。霰颗粒带的是负电，冰晶带的是正电。霰比较重会下沉，所以雷雨云的底部是负电，上部是正电。

“结冰电荷模式”虽然还没有完全被验证，不过，这是目前科学家们认为最可靠的一种猜想。

而让科学家们更加着迷的，是他们发现不只是水汽升腾的地方会出现雷电。科学家们还观测到一种叫“逆闪电”的现象。一般的雷雨云都是向着大地放电，但是根据航天飞机和探测火箭的观测，有的雷雨云会向更高处的稀薄空气放电。甚至科学家在观测金星和木星时，发现它们的表面也很可能有雷电的现象。

这些特殊的雷电，就没有办法直接套用霰和冰晶相互摩擦的理论来解释了。它们的发生机制，科学家们目前还不清楚。这些奇异的现象似乎在提醒着我们，人类对于雷电的探索，还远远没有到达终点。

第二部分我们来看看，人类是怎么防止雷电带来的危害的？

前边我们聊到过，在无法用科学解释雷电的时代，人们都把雷电当作鬼神发怒的征兆，因为雷电的出现常常会给人带来损伤。雷电击中人体，会造成电击伤和灼伤；雷电击中建筑、山石，会造成崩坏；雷电击中树木，可能会引发火灾；甚至雷电造成的冲击波，都有可能对人的耳膜或内脏造成伤害。

所以，怎么防止雷电带来的危害，一直是人们研究的课题。

时间走入现代，当我们生活在城市，像是雷电造成的山石崩坏、树木起火这样的问题，不大会给人带来直接伤害了，因为楼房成了保护我们的第一道防线。

不过，在楼房中生活的我们又遇到了新的问题，雷电也有可能损坏楼房，而且，我们使用的电器越来越多，尤其是精密的电子产品越来越多。雷电产生的巨大电流一旦接触到电器，那将是电器无法承受的，势必无法正常工作，电脑、网络、家电都有可能瘫痪。

于是，人们又在楼房以外，至少增加了二道防线。

这第一道防线你肯定听说过，就是“避雷针”。避雷针的发明者就是本杰明·富兰克林。也不知道中文里“避雷针”这个名字是谁翻译过来的，实在是有些名不副实。因为避雷针的工作原理，恰恰不是避开雷电，而是要吸引雷电来主动“劈”自己。

避雷针这套系统大致可以分成三部分：避雷针，一般是用钢管制成，从几十厘米到几米的都有；接地极，是埋在地下的金属；中间还有引下线，就是连接避雷针和接地极的金属线。

电流喜欢沿着电阻最小的通道通过，所以避雷针这套系统，就是要在天空和大地之间建立一个电阻很小的通道。这样，当雷电出现时，就会被避雷针吸引，电流沿着避雷针、引下线、接地极一路流入大地，雷电就不会影响到建筑的其他部分或者人。

不过一根避雷针能够保护的范围终究有限，所以如果你自己观察现在的住宅楼、办公楼，你会发现在楼顶的边上有一圈金属栏杆。其实这个栏杆叫作“避雷带”，它的原理和避雷针一样，不过能比避雷针带来更大范围的保护。如果你去参观一些古建筑，也会发现，沿着古建筑的屋脊也有一圈避雷带，远远看去，很像是描着古建筑的轮廓又画了一圈，这就是保护古建筑不被雷击的装置。

在专业的工程术语里，避雷针、避雷带这些装置还有一个更加严谨的统称，叫“接闪器”，主动承接闪电的器材。“接闪”比“避雷”更符合它们的原理。这是在楼房以外保护我们的第一道防线。

不过，避雷针也有自己的问题。一个是避雷针、避雷带的防护范围还是有限，而雷电选择击中哪里，是个特别难以预测的事情。比如雷电如果不是劈向楼顶，而是劈向楼房的中间层，还是会对楼房造成破坏。

另一个问题是，虽然避免了雷电直接击中楼房中的人和电器，但是产生了新的问题，就是雷电顺着避雷针、引下线、接地极流入大地，巨大的电流通过楼房外侧时，会产生电磁感应，这种感应依然有可能对精密的电子设备产生损害。

为了解决这两个问题，进一步保护生命和财产安全，还需要另一道防线。

要说清楚这道防线，我们要先从一个有趣的物理现象说起。

如果你去中国科技馆参观，会看到科技馆有一个很受欢迎的表演叫“法拉第笼”。法拉第笼是一个用金属网制成的笼子，科技馆的工作人员会邀请观众进入到这个笼子里，然后用一根带着10万伏高压电的金属杆接触法拉第笼，金属杆和笼子之间会“啪啪”地打出耀眼的电火花，但是笼子里边的人却安然无恙。笼子里的观众甚至可以把手按在法拉第笼的金属网上，工作人员直接拿着金属杆对着观众的手掌放电，观众也不会触电。

为什么会出现这样神奇的效果呢？这是因为法拉第笼外部的金属网形成了一种叫作“等电位体”的结构。等电位体有一种特性，就是经历电击时，电荷会平均分布在笼子的表面，笼子内部电场为零。人体触电的原因是身体的不同部位存在电位差，也就是我们平时说的电压，不同部位的电压使得电流通过身体，对身体造成伤害。

但是人们站在法拉第笼里边的时候，手指虽然接近高压电，但是因为电荷平均分布在笼子外边，身体并不存在电位差，也就没有电流通过人的身体，所以不会触电。

换句话说，周身包裹的金属，形成了一种屏蔽网，就算有电流击中屏蔽网，里边的人也不会有触电的危险。比如在高空的飞机，虽然也会遭遇雷电，但是飞机的金属机身，使得飞机成了一个天然的法拉第笼。遇到雷电时，飞机里的乘客也能安然无恙。

法拉第笼形成的屏蔽网不仅能保护人身安全，还能防护精密的电子设备，因为法拉第笼同样可以屏蔽电磁感应。我们都有这样的经历，你一走进电梯，手机几乎就没信号了。这是因为手机信号其实也是一种电磁感应，而电梯是个金属盒子，也相当于一个法拉第笼，把电磁感应给屏蔽了。

于是人们就想到，想要让楼房中的人和电器更安全，可不可以把楼房也变成一个法拉第笼呢？

可以。因为大多数楼房都是钢筋混凝土结构，如果把楼房比作一个人，那么混凝土是肉，钢筋是骨头。墙壁、地板、天花板，里边都埋着钢筋。钢筋就是金属啊，把这些钢筋用导电的材料连接起来，它们就组成了一个巨大的金属网。再遇到雷电的时候，身处楼房中的我们，就会像科技馆法拉第笼里边的那些观众一样，不管雷电击中楼房的哪个部位，我们都能安然无恙。

随着建筑业的发展，那些摩天大楼采用了更新的建筑方式，叫作钢结构，就是以纯钢架作为主要支撑，因为钢结构的强度高，还可以满足建筑的各种造型。好在，建筑的骨架还是金属，依然可以应用法拉第笼的原理。所以那些高耸入云的摩天大楼，也不必担心雷电了。

这种把建筑骨架变成法拉第笼的操作方式，叫作“等电位联结”。这就是防护雷电的第二道防线。

多说一句，等电位联结还有更多的应用，比如在电子设备很多的机房，往往会用架空的地板，在地板下铺设细密的金属网。让设备与地板下的金属网连接，再与整栋楼的金属网连接，加强对电子设备的保护。再比如，浴室、泳池、喷泉这些地方，因为潮湿，人们更容易触电。把这些地方所有金属物件，都和大楼的金属网相连，就能保证人们不会出现触电的危险。

咱们来总结一下，当我们生活在城市，像是雷电造成的山石崩坏、树木起火这样的问题，不大会给人带来直接伤害了，因为楼房成了保护我们的第一道防线。人们又在楼房以外，至少增加了二道防线：接闪器和等电位联结。

换句话说，只要你在楼房中，基本就可以免受雷电的侵扰了。那如果万一身处野外呢？这本书也给了一些实用的建议。

如果在野外遭遇雷电天气，最好的方式当然是尽快撤离，躲避到钢筋混凝土的建筑里。如果来不及撤离，可以躲避到汽车里，汽车也相当于一个法拉第笼。如果周围没有车辆，可以利用周围的树木作为避雷针，选择那些高度在4米以上的树木，和树木的枝叶保持2米的距离，双脚并拢接触大地，蹲下保持低矮的姿势。当然，我还是不希望你面对这么危险的情况，最稳妥的还是多看天气预报，避免在雷雨天气去往野外。

到这里，这本由冈野大祐所写的《雷电之书》，我就为你解读完了。咱们来总结一下。经过了一千多年的探索，人们发现了雷电形成的三大要素：太阳照射产生的温差、上升的水蒸气、摩擦产生的电。

不过，对于雷电内部是如何产生电的，科学家们还没有完全搞清楚，提出的猜想还有待验证。大气外层的逆闪电、其他行星上的雷电，这些奇异的现象也在提醒着我们，人类对于雷电的探索，还远远没有到达终点。

当我们生活在城市，像是雷电造成的山石崩坏、树木起火这样的问题，不大会给人带来直接伤害了，因为楼房成了保护我们的第一道防线。人们又在楼房以外，至少增加了二道防线：接闪器和等电位联结。了解了这两道防线的原理，你就知道，生活在城市中的我们已经不大会遭遇雷电的危险。书中也介绍了一些在野外遭遇雷电时保护自己的技巧，万一你有这样的需要，我建议你要好好了解一下。

最后，还想和你聊一个问题。这个问题，书里提到了一点，但是我觉得这个问题挺重要，所以又查阅了其他资料，放到一起来说。这个问题就是，人类有没有可能在未来利用雷电的力量？

听完前边这些内容，你可能对雷电产生一个刻板印象，感觉雷电对人类只有伤害。其实，雷电对人类也是有帮助的。在人类进化的过程中，雷电帮过几次大忙。

比如，在从猿到人的漫长演化过程中，雷电功不可没。由于雷电引起森林大火，燃烧的大火不但改变了自然环境，烧熟的食物也改变了人类的饮食方式，推动了人类文明。

再者，雷电还能够制造氮肥供应给土壤，促进植物生长。据科学家测算，雷电每年能够在全球范围内生成大约20亿吨的氮肥，这是雷电给人类的恩赐。

甚至，有科学家在实验室中，通过放电实验，用水、甲烷、氢这些无机物，合成出了氨基酸。你要知道，氨基酸可以说是组成各种生命的基础，科学家们一直在探索，地球上最早的氨基酸是怎么出现的，搞清楚这个问题，就能搞清楚生命的起点。于是，有科学家猜想，可能就是在雷电的作用下，无机物合成出了最早的氨基酸。如果这个猜想是真的，那么雷电就是地球上一切生命的开始。

科学家们还在继续探索，希望雷电能够帮人类另一个忙。一次闪电所产生的电量，就够一个普通家庭用上一两个月。全球一年的闪电数量是14亿次，这是一个巨大的能源宝库。可惜，雷电产生的高压，是目前大多数的电器无法承受的，今天我们也还没有这么大容量的电池，能够一下子把雷电的能量完全存储下来。如果在未来，这方面的技术实现了突破，那雷电又会对我们的世界，产生巨大的帮助。

以上就是这本书的精华内容，你可以点击音频下方的“文稿”按钮，查收我们为你准备的全文和脑图。你还可以点击右上角的“分享”按钮，把这个音频免费分享给你的朋友。恭喜你，又听完了一本书。

划重点

1. 雷电形成的三大要素是：太阳照射产生的温差、上升的水蒸气、摩擦产生的电；

2. 对于雷电内部是如何产生电的，科学家们还没有完全搞清楚。大气外层的逆闪电、其他行星上的雷电，也证明人类对于雷电的探索还远远没有到达终点；

3. 当我们生活在城市，因为楼房成了防护雷电第一道防线。人们又在楼房以外，至少增加了二道防线：接闪器和等电位联结。