introduction

点开这篇推送的你，不知道有没有想过这样一个问题：大地带负电荷，天空带正电荷。而空气分子中存在着个别的带电离子，它们在由天空指向大地的电场下会发生漂移。

那么长此以往，为什么大地和天空的电荷不会互相中和掉呢？

针对这个问题，小编去阅读了著名的《费曼物理学讲义》卷 2 第 9 节的内容，发现在费曼的讲述下，对这个问题的解答就像一个精彩的“玄幻”小说故事。诸位且听我细细道来……

beginning

我是大气层中的一个小正离子，哥哥是一个大正离子（后文会对二者的区别进行说明）。

小正离子和大正离子的示意图 | 图源：小编二创

我们所在的地方位于大地以上50 km 高度处，在这里，空气已变成足够导电（看到后面，你就会知道原因）。此处正的等势面与大地负的等势面，可以等效成一个巨大的电容。哥哥说，寻常日子里，在平坦的旷野或海洋上，地面附近存在着100 V/m、垂直指向地面的电场。

100 V/m、垂直指向地面的电场 | 图源：《费曼物理学讲义》卷 2 第 9 节

但因为地面上物体和地面长期接触形成一个等势面，所以地面上的人类很难意识到这一点。

地面上物体形成的等势面 | 图源：《费曼物理学讲义》卷 2 第 9 节

关于天空和大地的电荷中和的问题，便是我哥哥对我提出来的，我想不出答案，向他求助。

“每时每刻，在我们身边，都有其它离子跑到下界（地面上）去，但我们这里总的离子数以及离子电性又是相对稳定的。这背后的机理极为复杂，你需要有足够的知识储备才能去探索这个问题的答案。而在此之前——”

哥哥停顿了一下，非常严肃地看着我：“你需要上学！学习系统的知识，这样才能建立对世界的认知基础！”

一股豪情顿时从我胸中涌出，我兴致冲冲地踏入学校的大门。

school

学校篇

讲台上的老师是一位和蔼可亲的老头儿，顶着一头乱糟糟的白发，在黑板上写写画画。

1、空气的电导率

“同学们，讨论大地与天空电荷中和的问题之前，我们需要知道空气的电导率。空气中存在着一些由中性分子电离而出的正、负离子，这种我们称为‘小离子’。有小自然就有大，而所谓的‘大离子’，指的是空气中的‘核’，它们是十分细微的尘埃颗粒，会漂浮在空气中而带上电（我就是带正电的小离子，哥哥是带正电的大离子）。比如说海面上波浪破碎，小小的浪花飞溅到空中，水蒸发之后，便会留下一个非常小的NaCl 晶体浮荡在空气中。

飞溅的浪花，水蒸发后会留下小的 NaCl 晶体浮荡在空气中 | 图源：pexels.com

“这些漂浮的‘大离子’会从小离子上拾得电荷。小离子很轻，在空气中运动得很快——在 100 V/m 的场中速率是 1 cm/s。而被吸附之后，笨重的大离子运动起来缓慢得多，速度小，形成的电流小，体现为电导率（单位为 A/V·m）很低。

“因此，空气中的电导率是很容易变化的，尤其是地面附近，对灰尘份量十分敏感。

“另外，空气电导率随高度也会发生变化，在我们这里，空气密度很低，离子间的平均自由程很大——你们应该深有体会：我们要想与下一个离子相遇（碰撞），总需要跑得很远——因此电阻小，电导率（1/Ω·m）就很高，这也是为什么我们这里可以被视为一张完美的导电面。”

2、电荷中和问题

“带正电的天空和带负电的大地之间，存在着巨大的电势差。这个电势差有多大呢？如果说大地电势是零，那么大气顶部的电势高达400,000 V！如此大的电压，会使空气中电离出来的离子发生偏移，由此便会形成可观测的电流。

“虽然电流密度很小——约为10 pA/m(1 pA=10A)，但由于地球的表面积非常大，最终形成的总电流大概为1800 A！在每时每刻如此大的电流存在的情况下，事实上只需要30 分钟就可以把整个大地的电荷都中和掉！

在晴朗大气中的典型电状态 | 图源：《费曼物理学讲义》卷 2 第 9 节

"那么问题来了，大气电场如何维持相对稳定呢？大地又是怎么保持一直携带有净的负电荷呢？”

3、大地充电问题

“对于这个问题的解答，需要搜集许多已有的线索。其中一个有趣的现象在于：当我们绘制不同地方的电流大小随着时间的起伏，可以发现一个奇妙的规律——电流的强度总是在格林威治（英国格林威治天文台确定了世界时间的标准）每天的 19 时达到峰值！

晴朗日子，大洋上关于大气的电压梯度的平均逐日变化（参照格林威治时间） | 图源：《费曼物理学讲义》卷 2 第 9 节

“这个规律的重点有两处，一是其没有地点差异性，不论是大西洋、北冰洋、太平洋，还是印度洋，总是在格林威治的 19时出现电流峰值。这一点很好理解，地面是一个良导体，大气顶层也有着很强的横向电导率，因此其间的电势差不按地域而改变，必定是全球性的。

“另一个重点之处在于格林威治 19 时这个绝对时间，可以想见，电流变化的周期是 24 小时，恰恰对应地球的自转、昼夜交替，而太阳带来的影响是什么？是日光对于空气中离子含量的影响，这也更加佐证了电流的起伏与大气层中的离子含量的相关性。

“电流起伏这一规律，给我们探索大地充电的机理提供了一条关键的线索。事实上，格林威治 19 时这一特殊的时间点所发生的事情，除了大气顶层到大地表面的电流达到最大值以外，还有一件——在整个地面上雷电活动的总量也达到最大值！

雷电（雷雨加闪电） | 图源：pexels.com

“同学们！”顶着乱糟糟白发的老头敲敲黑板，“你们猜想的不错——正是全世界的雷雨和闪电的存在，才使得存在平均 1800 A 的从大地流向天空的反向电流，保持了大地和大气中的电荷分布的动态稳定！”

4、其他问题

听罢，我只觉受到了深深的震撼，心绪久久不能平静。老师非常体贴地给了我们一些反应时间，这才继续说道：

“巨人的肩膀支撑起我们站的更高，但前路之上依然存在更多谜题：我们这些离子是如何从分子中分解出来，以使得大气导电的？用于给大地充电的雷雨和闪电又是如何形成的？还有很多很多问题。

“这些都需要你们自行去经历、去探索，才有可能找到答案。世界很大，你们需要学习的也还有很多。

“像我们所在之处离地面有50 km，这里的空气已经足够导电，但这里的离子密度绝不能称为‘多’。在我们的上空，就存在着一个叫电离层的地方，据说那里的离子数才是真的多，但我们都没有去过，电离层的种族非常神秘，也会有四处游历的电离层离子经过这里。或许，他们会知道许多我们不知道的事情；大地之上还有一个被称为‘人类’的种群，他们十分聪明，也有很强的探索欲，想必知道得更多……”

ionosphere

电离层

我不知道“人类”是什么样的，但不久之后，我和哥哥就遇到了一位来自电离层的大哥哥，他也是一个大正离子，自称“子非”，打算前往下界，去探索更多的谜题。子非哥哥风流倜傥，十分爱笑，给我们讲了许多不曾学过的知识。

电离层大正离子的示意图 | 图源：小编二创

“关于空气中离子的来源，主要可以归结为三类：一是大气顶层与大地之前巨大的电势差使得二者之间的空气分子发生电离，但这个电离的量是很少的，且大气顶层的离子又是从何而来？这便关系到后面两个来源——

“第二类是太阳照射引起的光电效应使产生离子，像我的家乡——电离层那里，之所以存在数量更多的离子，就是源由于此；

电离层中来自日光的光电效应示意图

“第三个来源嘛，便是宇宙射线，这也是你们这里（离地面 50 km）以及再往下的空气中‘小离子’最主要的来源。

宇宙射线示意图 | 图源：pexels.com

“说起宇宙射线，可是有一段有趣的往事呢！最初，不知道宇宙射线的人类猜测空气中电离出的离子是由地球的放射性产生的，因为当时已经知道放射性材料发出的辐射会把空气分子电离而使空气导电。这也就意味着，当我们升至更大高度，应该存在更少的电离作用，因为放射性全都藏在地面的尘土之中——在镭、铀、钾等的痕量中。

“当然，最终测量的结果想必你们也猜到了：情况与猜测截然相反，单位体积的电离度随高度增加而增大！在整个关于大气电研究的历史中，这是最为戏剧性的结果，以致一门全新学科——宇宙射线学——最终被分支出来。

“对了，你们老师之前说，电导率随着高度增大而增加的原因是高空之上空气稀薄，离子平均自由程更大，也不全对。除此之外，还有一个原因，便是随着高度增加，由宇宙线所引起的电离作用变强，可以用于导电的离子数变多，电导率因而变大。”

continuing

尾声

子非哥哥的话让我们如同醍醐灌顶，心中恍然。他邀请哥哥明天一起前往下界。他们都是大正离子，可以采取相同的途径到达地面——在晴朗天气的空气中存在的指向大地的电场作用下，受大地的负电吸引而漂移过去。

我看见哥哥眼中流光闪烁，但很快平静下来，他没有答应这个邀请——我是一个小正离子，在空气中很容易被带负电的大离子捕获，整体带上负电，因此无法借助晴朗天气下的电场到下界去。

我没有说什么。次日，我收拾好行李，向哥哥请辞：“哥哥，我在这里学到的知识足够了，我打算去寻找我自己的道路，借助雷电天气下相反的电场前往下界。是你说的，不断探索，才能获得新的知识。”

哥哥眼中的光芒重新亮起，我们一起步伐坚定地走出家门，门外，子非哥哥正准备启程……

编辑：紫竹与