一、闪电形成的原因
闪电的形成主要源于云层内部电荷的产生、分离与积累，以及云层与地面之间电荷的相互作用。
在大气环境中，云层的形成是闪电产生的基础。当空气中的水汽上升遇冷时，水汽会凝结成小水滴或冰晶，从而形成云。在云的形成和发展过程中，存在多种促使电荷产生和分离的机制。其中一种常见的机制是水滴和冰晶之间的摩擦。由于云中的气流运动，水滴和冰晶会相互碰撞、摩擦，这种摩擦过程会使它们带上不同性质的电荷，就像我们日常生活中摩擦起电的现象一样。例如，在雷暴云中，大的软雹和小的冰晶碰撞后，根据温度和水汽密度的不同，会携带不同的电荷。当液态水含量介于0.1 - 4.0gm - 3，温度高于 - 10℃时，大的软雹在碰撞后携带正电荷；而温度低于 - 10℃时，大的软雹在碰撞后携带负电荷。
云层内部电荷分离后，会形成不同的电荷层。一般来说，正电荷会聚集在云的上部，负电荷聚集在云的下部。由于异性电荷相互吸引，带有大量负电荷的云会吸引地面上的正电荷，使地面积聚大量正电荷。当云层中的电荷积累到一定程度，云层与云层之间或者云层与地面之间的电场强度足够大时，就会发生电荷的中和作用，从而产生闪电。这种电荷的中和过程是一种剧烈的放电现象，会释放出大量的能量，这些能量以光和热的形式表现出来，其中光就是我们看到的闪电，而大量的热量使空气迅速膨胀，产生巨大的声响，也就是雷声。由于光速比声速快得多，所以我们总是先看到闪电，然后才听到雷声。
二、闪电产生的物理机制
雷暴云的带电机制
雷暴云带电是闪电产生的前提，目前占主导地位的是“非感应起电”机制。在雷暴云内部，存在着大量的冰晶、软雹、过冷水等不同的水成物粒子。这些粒子在雷暴云内部复杂的气流作用下不断运动，相互之间发生碰撞。在碰撞过程中，它们会携带不同的电荷，大的、重的粒子下沉，小的、轻的粒子上升，从而在雷暴云内形成了携带不同电荷的电荷层，呈现出“正 - 负 - 正”的典型三极性电荷结构。
闪电的发展过程
当雷暴云内的正负电荷层之间的电场强度达到一定程度时，就会触发闪电的产生。闪电的发展就像树的生长一样，会不断延展通道，其“根”和“叶”同时朝着相反的方向发展，整体呈电中性。一端带正电荷朝着云内负电荷区发展，另一端带负电荷朝着云内的正电荷区发展，大多数闪电就在云内发生、发展和熄灭。而部分闪电会向下发展，其先导通道抵达地面，形成云地闪电。闪电的两端通过击穿空气的方式不断发展，建立整个闪电通道。这个引领发展的头部被称为“先导（leader）”，这种两端携带相反电荷、同时发展的先导通道被称为“双向先导”。其中，负先导辐射信号强，以跳跃的方式发展，会在先导头部之前数米出现多个悬浮的空间先导，之后与负先导头部连接，形成多个分叉；正先导的空气击穿阈值较低，其发展像流水一般，连续向前延伸，分叉相对较少，辐射信号弱。
先导发展的物理过程
先导从电晕转化成电弧状态时，涉及到多个物理过程。首先是先导顶端的电离，产生新的电子和离子；由于电子迁移速度快，落在后边的正离子团，使电子向后收缩；电子附着在气体分子上形成负离子；电子与正离子的复合；电子和离子由电离通道向外径扩散；电子和离子对中性分子的加热、激发和发光；最后是电子导电至电弧导电（热离）的转化。在这些过程中，电子和离子的运动、相互作用以及对周围分子的影响，共同构成了闪电先导发展的物理机制。
三、影响闪电出现的因素
气象因素
温度：高温有助于闪电的形成。较高的温度可以使空气中的水蒸气上升，形成云层。当空气受热上升时，水汽会随着气流上升到高空，在上升过程中水汽冷却凝结，形成云。而云是闪电产生的基础，更多的云意味着更多产生闪电的机会。例如在炎热的夏季，气温较高，更容易出现雷暴天气，从而增加闪电出现的频率。
水汽含量：空气中含有大量的水蒸气时，容易形成云层，增加闪电形成的可能性。水汽是云的主要组成部分，丰富的水汽为云的形成提供了物质基础。当水汽充足时，云的体积和厚度会增加，云中的水汽凝结、水滴和冰晶的碰撞等过程也会更加频繁，从而有利于电荷的产生和分离，为闪电的形成创造条件。
垂直风速：垂直风速对闪电的形成也有重要影响。通常情况下，空气的流动以水平方向为主，但在特定条件下，垂直风速可达到十几米/秒，这样的垂直风速能够形成高度达到对流层顶的积雨云，也就是雷暴云。雷暴云内部强烈的对流运动，促使云中的水汽、冰晶、软雹等物质相互碰撞，从而产生电荷分离，引发闪电。例如在夏季，一些地区的垂直风速较大，容易形成雷暴云，进而产生闪电现象。
地理因素
地形地貌：不同的地形地貌会影响闪电的出现。山地地区由于地形的抬升作用，空气被迫上升，容易形成对流云，增加闪电的发生频率。而在平原地区，空气流动相对较为平缓，闪电出现的频率相对较低。海岸地区也是闪电密度高值区，这可能与海陆热力差异导致的气流运动有关。海陆之间的温度差异会引起空气的对流运动，促使云层的形成和电荷的分离，从而增加闪电的发生几率。
海拔高度：海拔高度的变化会影响大气的物理性质，进而影响闪电的形成。一般来说，随着海拔高度的增加，气压降低，空气稀薄，温度也会发生变化。这些因素会影响水汽的凝结、云的形成和电荷的分布。例如在高海拔地区，由于气温较低，水汽更容易凝结成云，而且云的发展和电荷分离过程可能与低海拔地区有所不同，从而对闪电的发生产生影响。
人类活动因素
城市化进程：随着城市的发展，城市地区的高楼大厦越来越多。高建筑物具有更高的雷击风险，一方面是因为高建筑物顶部局地电场较强，容易吸引闪电；另一方面，城市中的高层建筑改变了局部的气流和电场分布。例如，在城市中，高楼之间的气流通道会发生变化，可能促使对流云的形成，增加闪电出现的可能性。同时，城市中的空气污染也可能对闪电产生影响，大气中的气溶胶颗粒等污染物会改变云的微物理过程，影响电荷的产生和分离。
工业排放：工业活动排放的大量污染物，如气溶胶颗粒、温室气体等，会影响大气的物理和化学性质。气溶胶颗粒可以作为云凝结核，改变云的形成过程和性质，进而影响闪电的产生。温室气体的排放导致全球气候变暖，气温升高会影响大气的对流运动和水汽循环，增加闪电出现的频率和强度。
四、不同环境中闪电形成的差异
海洋环境与陆地环境
电荷产生机制的差异
在海洋环境中，水汽的来源主要是海洋表面的蒸发。海洋上空的云层形成过程中，盐粒子可能会参与到电荷的产生和分离过程中。由于海洋环境相对较为稳定，空气湿度较大，云层中的水滴和冰晶的形成和相互作用可能与陆地有所不同。在陆地环境中，地形复杂多样，不同的地形会影响气流的运动，进而影响水汽的输送和云的形成。例如山地地区的地形抬升作用，会促使空气上升形成云，而在这个过程中，陆地上的灰尘颗粒等可能会影响电荷的产生。
闪电频率和强度的差异
一般来说，海洋上的闪电频率相对陆地较低。这可能是因为海洋表面较为平坦，缺乏像陆地那样复杂的地形引起的强烈对流。然而，当海洋上出现强烈的对流天气系统，如热带气旋时，也会产生大量的闪电。在强度方面，海洋上的闪电可能由于水汽充足等原因，在某些情况下强度较大。陆地闪电则受到地形、植被等多种因素的影响，在山区等地形复杂区域，由于地形的抬升作用，容易形成强烈的对流，可能会产生高强度的闪电。
极地地区与热带地区
温度和水汽条件的影响
极地地区气温极低，水汽含量相对较少。在这种环境下，云的形成相对困难，闪电的发生频率也极低。即使有云的形成，由于低温条件下冰晶和水滴的物理性质与热带地区不同，电荷的产生和分离机制也会有所差异。热带地区则是高温多雨，水汽充足，空气对流强烈。这种环境非常有利于云的形成和电荷的分离，因此热带地区是闪电活动最为频繁的区域之一。
对流活动的差异
热带地区的对流活动非常强烈，这是由于太阳辐射强，地面受热不均，导致大量暖湿空气上升。强烈的对流活动使得热带地区的云层高度较高，内部的电荷分离和积累过程更加剧烈，从而产生更多的闪电。而极地地区的对流活动较弱，大气相对稳定，不利于闪电的形成。
五、闪电与气候变化的关系
闪电对气候变化的影响
闪电在全球电路平衡、全球水物质重新分配、NOx的生成等方面起着重要作用，从而间接影响气候变化。例如，闪电产生的高温会使空气中的氮气和氧气发生反应，生成NOx。NOx是一种重要的大气污染物，但在大气化学过程中也扮演着重要角色，它会影响大气的氧化能力、臭氧的生成等，进而对气候变化产生影响。此外，闪电引发的火灾会释放大量的碳和其他物质到大气中，影响大气的成分和辐射平衡。
气候变化对闪电的影响
随着全球气候的变暖，极端天气事件增多，闪电活动也受到影响。在多个时间尺度上，闪电活动对温度做出了一定的正响应。例如，在年际时间尺度上，全球总闪率对全球地面气温的变化是正响应的，灵敏度为17±7%K⁻¹。全球变暖会导致大气对流运动增强，暖空气和湿气上升，为雷暴提供更多的能量，从而增加闪电的发生频率。同时，气候变化还会影响大气的水汽含量、环流模式等，这些因素的改变都会对闪电的形成和分布产生影响。例如，一些地区由于气候变化导致干旱或湿润程度的改变，进而影响闪电的活动。
