太阳系的行星 太阳和以太阳为中心运转（公转）的天体、小天体、微粒子所构成的天体系统称为太阳系。小天体包括小行星、海王星外天体（冥王星则是准行星）。太阳共有八大行星，距离太阳由近到远的顺序依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。各个行星不停歇地在几乎同一平面上绕着太阳公转，公转周期也从地球的1/4 年到164 多年不等。从太阳到地球的距离以光速计算需要8 分31 秒，行星间的距离就以此距离为标准（叫天文单位）来表示（图1.30(a)）。 在地球上，因地球引力的作用，空气被吸引形成大气层，大气与大地之间形成的雷雨云通过摩擦起电从而形成雷电。那么，关于太阳系内哪些行星可能发生雷电这个问题，应该怎样着手调查呢？ 有一种思路是捕捉类似于地球上雷电发生时产生的各种信号，其中之一就是电波。在雷电发生之前或发生过程中，几乎在所有的波长范围里都会产生电波。在产生电波时，作为电波的一种放电发光现象也会发生。据此，如果能够捕捉到与放电发光同一时间上的波长范围内的电波信息，就可以确认雷电的存在了。目前为止，已经观测到存在这种信号的行星有金星、木星、土星、天王星，这里选取信息最为充裕的金星和木星来说明。 行星的雷 ●金星 金星的直径比地球小700 km，质量约为地球的82%，自转周期为243 天，公转周期7 个多月。金星表面为固体，大气中二氧化碳为97%，氮3%，大气压强约为地球的93 倍。过去，美国和俄罗斯两国进行了大量行星的探测工作。对发光现象和电波的观察结果显示，金星可能存在雷电放电现象。但由于金星的大气压强过高，如果没有 相当大的电压，是很难发生放电现象的。其中具体的情况还需要今后详细调查（图1.30(b)）。 ●木星 木星的直径是地球的11 倍。质量是地球的318 倍。自转周期10 个多小时，公转周期11 年10 个多月。木星表面是液态氢，大气含有81% 的氢和17% 的氮以及其他气体，大气压强约为地球的0.7 倍。电波观测发现，木星上的发光现象也伴有地球上的雷放电时产生的“哨声”（whistler wave）。因此，木星上存在雷放电的可能性非常大（图1.30(C)）。 图1.30 太阳系的行星 落雷是生命的起源？ 1953 年，美国芝加哥大学的研究生斯坦利•米勒通过放电实验，成功制造了有机物质。引人关注的是，他在实验中模拟出了以水、甲烷、氨、氢为主要成分的原始地球环境，然后将雷电当作能量来源进行实验。 实验装置的概要如图1.31 所示，它分为两个部分。一部分装置是通过加热使水沸腾，不断产生水蒸气，产生的水蒸气穿过玻璃管可以进入另一部分装置中的烧瓶。另一部分装置中的烧瓶具有化学成分合成的功能。烧瓶中事先放有甲烷、氨，在已经插入的电极中施加高电压，使之产生火花放电。甲烷、氨在高温的水蒸气中会发生分解，合成为新的化学物质。合成后，经过冷却，物质返回到水溶液。这种循环也是对原始地球环境的模拟。 经过一个星期左右的连续实验，结果居然在试验中制造出了作为原始生命起源的“氨基酸”。生物进化大致分为两大系统。一是把氨基酸作为有机液进行化学合成进而又进行光合作用，进化出细菌的系统；二是进化出具有大型真核细胞的动物或植物的系统。虽然我们无法亲近雷电，但是如果它对地球生命的起源做出了贡献，我们就不能不对其产生敬畏之情。 图1.31 放电产生氨基酸 摩擦发电机 在前面已经说明了雷雨云的电是由空气和粒子的摩擦产生的。不过，也有可以产生摩擦电的人造装置。下面介绍一下过去和现在的摩擦发电机。 ●摩擦发电机（Elekiter） 据文献记载，1751 年，荷兰曾向日本幕府献供。1770 年（明和7 年），平贺源内①暂住长崎期间得到了一台已经被损坏的摩擦发电机Elekiter。他与人合作，于1776 年成功模仿制作出了Elekiter。图1.32 展示了Elekiter 的概观。它的外部是木质材料，内部装有电容器，发电原理是当摇动装在外部的手柄时，内部的玻璃会摩擦起电，产生的电会传导给铜线。 ●范德格拉夫起电机 范德格拉夫起电机是1931 年由荷兰裔美国物理学家罗伯特•杰米森•范德格拉夫开发出、用于原子核实验的粒子加速器电源的静电型发电机。用这种方式发电，甚至可以进行2×107 V 左右的发电，而且装置结构简单。因为这种发电机发电的电压高、电量小，所以也常常用作产生静电的教学用具。如图1.33 所示，范德格拉夫起电机是由绝缘的带状传送带、传送带转动装置、空心金属球构成。把传送带与金属球分开，让传送带摩擦起电，电荷经由电刷会使金属球蓄电。 图1.32 摩擦发电机（Elekiter） 图1.33 范德格拉夫起电机的原理 ① 日本江户时代中期的博物学家、荷兰研究者、发明家。——译者注 实验室内的雷 雷电放电时的电压为1×108 V，不过，使用较短的放电距离（间隙），仅用雷电放电电压的1/1000 左右就可以产生放电。现在介绍实验室环境下的雷电放电试验。试验条件是空气温度20 ℃，湿度50%，放电间隙是30 mm。 放电电极组由不锈钢制成，分为两种。第一种是直径为90 mm，厚度是30 mm 的圆形平板电极。第二种是针形电极和薄圆板电极的组合。针形电极的前端加工成了半径为1.5 mm 的半球形，粗3 mm，而薄圆板电极的直径是140 mm。放电电极之间，通过高压电阻器与最高可供给100 kV 的直流电源相连。 放电的照片是使用带有高速快门的CCD 相机拍摄的。图1.34(a)、(b)、(c) 是平行平板电极的放电，供给电压是55 kV。电极间的电场（间隙方向的电压变化的比例）因为是稳定的，所以，所有地方发生放电的概率都相同。图(d) 是模拟雷电放电的实验，把正电压40 kV连接到针形电极与薄圆板电极之间，由于电场大部分集中在针形电极的尖端部分，所以会从针形电极的尖端产生放电。 图1.34 实验室内的放电试验
