现在要来讨论对我们的目的来说最重要的方面——即关于电荷的发展情况。各种实验——包括飞机穿过雷暴雨区（干这一件事的飞行员真是好汉！）——都告诉我们，在雷暴雨盒里的电荷分布有点像图9-11所示的那样。在顶部有正电荷，而在底部则有负电荷——只在云脚处还有小的局部区域带有正电荷，这对每个人都曾引起不少烦恼。似乎还没有谁懂得为什么它会存在那里，到底它有什么重要性——是该正电荷雨降落时的次级效应、还是机制中的基本部分。假使它不存在，事情该会简单得多。不管怎样，在底部占优势的负电荷与在顶部占优势的正电荷对于促使地面带负电所必需的电池组就有了正确符号。正电荷存在于6或7km高的大气中，那里温度约为-20℃，而负电荷则在3～4km高处，那里温度在0℃与-10℃之间。
图9-11 在一个成熟的雷暴雨盒中的电荷分布［转载自美国商业部气候局报告，1949年6月］
聚集在云底的电荷大到足以使在云与地面之间产生一个20或30、甚至达到100MV的电势差——比起在晴朗大气中从“天空”至地面的0.4MV要高得多。这样高的电压会把空气击穿，并产生大规模的弧光放电现象。当击穿发生时，在雷暴雨区底部的负电荷就会在闪电中被带到了地面。
现在我们将比较详细地来描述闪电的特性。首先，附近应有大的电势差，才能把空气击穿。闪电会发生于一朵云的两部分之间，或在云与云之间，或在云与地面之间。在每一次独立的放电闪光——就是你所见到的那种闪电——中大约有20～30C的电荷被带到地面。一个问题是：云要再生这些被闪电所带走的20或30C电荷需要多少时间？这可以通过测量在离云很远的地方由云的电偶极矩所产生的电场而得知。在这样的测量中你可以见到，在闪电那一瞬间电场会突然降低，然后又有一个返回到原值的指数式变化，这个指数函数的时间常数对不同情况稍微不同，但约略在5s左右。每次发生闪电之后，雷暴雨只消5s就能再度建立起它的电荷。这并非意味着另一次闪电一定要恰恰在5s之后发生，当然因为几何形状的改变等等，闪电或多或少是无规发生的，但重要的是，大约需要5s才能重新创造原来条件。这样在雷暴雨的起电机中会流经约4A的电流。这意味着，任何为解释暴雨如何能产生它的电荷的模型一定是具有大量燃料的——它必须是一部庞大而又迅速运转着的装置。
在进一步讨论之前，我们将考虑一件几乎肯定是完全不相干的、但却是饶有趣味的事情，因为它的确表明电场对水滴的影响。我们之所以说它可能与雷电无关，是因为它联系到的是我们能用一束水流在实验室里做的、表明电场对水滴影响相当强的实验，而在雷暴雨中却没有水流，那里只存在由凝结的冰和水滴所形成的云。因此，关于在雷暴雨中起作用的机制问题，可能根本就与能够在即将描述的简单实验中所见到的现象毫无关系。要是你取一个小喷嘴接至水龙头上，并以陡峭的角度朝上安放，如图9-12所示，那么水便将以一小束流的形式射出来并最后碎裂成一串由微小水滴组成的雾。如果你现在把一横穿该水注的电场安置在喷嘴附近（例如把一根带电棒移近过来），那么该水流的形状就将改变。若用弱电场，则你将发现水流会破裂成数目较少的一些大水滴。但若所提供的是一个强电场，则水流将碎裂成许许多多的微小水滴——比以前的要小得多 [2] 采用弱电场时，有一种会妨碍水流碎裂成水点的倾向。可是，若用强电场则拆开成水滴的倾向就增加。
图9-12 把电场靠近喷嘴时的一条水流
有关这些效应的解释可能是这样。如果有一条从喷嘴射出来的水流而又让一弱电场横穿过它，则它的一边会稍微带正电而另一边稍微带负电。此时，当水流破裂时，一边的水滴便可能带正电而另一边的水滴带负电。它们将彼此互相吸引并将比以前更加倾向于粘在一起——水流不会那么容易破裂了。反之，如果电场较强，则存在于每一水滴上的电荷比较多，因而电荷本身 就会通过其中的互斥作用而协助把那些水滴分裂。每一水滴将碎裂成许多更小的各带有电荷的水滴，因而它们将互相排斥而迅速向外扩展。所以当我们增强电场时，水流便将分裂成更微细的水珠。我们想要提出的唯一一点是，在某些条件下电场能够对水滴发生相当大的影响。在雷暴雨中某些事情发生的精确机制，还完全未弄清楚，而且也完全无需与刚才所描述的现象联系在一起。我们之所以把它包括进来只是为了使你们认识到可能会起作用的那些复杂性。事实上，还没有谁提出过以这种概念作为基础而适用于云的理论。
我们要来描述两种已经发明的、用来解释雷暴雨中电荷被分离的理论。两种理论都包含这样一个概念，即在凝结的粒子上带有某些电荷，而在空气中则有另一些不同电荷。于是通过这些凝结粒子——水滴或冰粒——在空气中的运动，电荷便分离了。唯一的问题是：这些粒子开始是怎样带电的？较老的一种理论被称为“水滴破裂”论。有人曾经发现，如果气流中有一水滴破裂为两小块，则在水滴上存在正电荷，而在空气里会有负电荷。这种水滴破裂理论存在几方面的缺点，其中最严重的是符号 弄错了。其次，在大量会出现闪电的那种温度带式雷暴雨盒中，高空里的凝结效应乃是形成冰，而不是 形成水。
从刚才所说的，我们注意到，若能够想出一种在水滴顶部与底部各带有不同电荷的方法，而如果又能知道为什么在一个高速空气流中水滴会破裂成大小两部分——由于水滴穿过空气的运动，或其他原因使大的部分在前面而小的部分在后面——那么我们便会有一套理论了（这与任何已知的理论不同）。此后，在空气阻力的影响下，小滴在空中降落不如大滴那样快，因而取得了电荷分离的效果。你看，编造出各种可能性是有可能的。
一种更巧妙的、在许多方面比那水滴破裂理论更为满意的理论，是由C.T.R. 威尔逊提出的。我们将按照威尔逊的办法用水滴来描述它，尽管这同一现象也适用于冰。假设有一水滴正在约100Vm-1 的电场中朝着带负电的地面降落。这水滴将有一个感生电偶极矩——水滴的底部带正电而顶部带负电，这如图9-13所示。原来在空气中会有如上面所提及的“核”——那些粗大而运动迟缓的离子（高速度的离子在这里没有重要影响）。假设当这水滴降落时，接近这么一个大离子。若这个大离子带的是正电，它会被水滴底部的正电荷所推开。因而，它就不会粘在该水滴上。可是，假若该离子是从上面接近水滴的，则它也许会粘在那带负电的顶部。但由于水滴正在空中降落，所以有一股相对于水滴向上的气流，这气流将把离子带走，如果各离子在空气中运动得足够缓慢的话。于是正离子也就不会粘在水滴上了。你看，这只适用于大而行动缓慢的离子，这一种类型的正离子将不会粘在一颗降落的水滴前面或后面。反之，当一水滴接近一些粗大而行动缓慢的负 离子时，它们便将被吸引而终于粘了上去，水滴将获得负电荷——这个电荷符号已被整个地球上的原来电势差所确定——而我们便将得到一个正确符号了。负电荷将由这些水滴带到了云的底部，而剩下来的带正电荷的离子则将被各种向上气流吹刮至云顶。这一套理论看来相当好，至少会提供正确符号，并且它也不依赖于要有液态水滴。当我们以后学习到电介质的极化时将会见到，用小冰块也同样会做这些事情。当它们处于电场中时，在其两端处也将产生出电荷。
图9-13 有关雷暴雨中电荷分离的C.T.R. 威尔逊理论
然而，即便这一理论也还有一些问题。首先，在雷暴雨中所牵涉到的总电荷会非常多。过了一段短时间之后，那些大离子的供应将告枯竭，因此威尔逊和其他人就建议还得有其他的大离子来源。一旦这种电荷的分离开始，巨大的电场便形成，而在这些大电场中某些地方的空气就可能发生电离。如果有一个尖端强烈带电，或有任何像水滴那样的小物体，则它可能将场集中到足够强以致造成“刷形放电”。当有一个足够强的电场时——让我们说它是正的吧——电子们便将落入场中并在两次碰撞之间获得了巨大速率。它们的速率将足以在碰到另一个原子时把其中的一些电子拉出来，而让正电荷留在后面。这些新的电子又将获得速率而与更多的原子碰撞。因此，就将有一种链式反应或雪崩现象发生，从而离子会迅速积累起来。那些正电荷被留在原来的位置附近，因而净效应就是把原来在某一点上的正电荷分布在围绕该点的一个区域内。此时，当然就不再有强电场了，而这一过程便停止。这就是刷形放电的特点。有可能在云里的电场会变成足够强，以致形成一个小小的刷形放电；也可能还有其他别的机制，在一旦发动了之后就能产生大量离子。但还没有谁会确切知道它如何动作，因此，关于闪电的基本原因实际上就还未完全明白。我们仅知道它是来源于雷暴雨（而且我们当然也知道，雷声来自闪电——是由闪电释放的热能引起的）。
至少我们已能部分地理解大气电的起源。通过气流、离子以及雷暴雨中的水滴或冰粒，正、负电荷被分开了。正电荷被向上带至云顶（见图9-11），而负电荷则在电击时倾倒到地面上。那些正电荷还会离开云顶，进入具有更高电导率的高层大气中，并将伸展至全球。在气候晴朗的地区，这一高空层里的正电荷会通过空气中存在着的离子——由宇宙线、海洋及人类活动所形成的——缓慢地输送至地面。大气是一部忙碌工作着的电机！