閃電打在沙灘上，為什麼會形成玻璃？
― 地面下會留下一條閃電形狀的管子
閃電打在沙地上時，地底有時會出現細長的玻璃管，名字叫「閃電岩」。閃電的通道比太陽表面還熱，能瞬間熔化沙子。接著又瞬間冷卻，沙子來不及回到原本的顆粒狀態，就凝固成了玻璃。
夏天傍晚在海邊，你是否看過遠處閃電發亮？閃光過了一會兒，隆隆的雷聲才傳來。
如果這道閃電打在空無一人的沙灘上，隔天早上往下挖，有時會挖出像樹根一樣分岔的灰色細管。外側粗糙，內側卻光滑發亮。
這不是石頭，而是玻璃。窗玻璃的原料其實也是沙子。閃電在比眨眼還短的時間內，就完成了工廠熔爐才做得到的工作。
原因只有兩個
閃電的通道據說可達約3萬℃。沙子的主要成分石英，約1700℃就會熔化。電流通過沙中時，那條路徑上的沙子會一口氣熔化。
熔化的沙子會立刻被周圍冰冷的沙子帶走熱量。慢慢冷卻的話，原子能重新整齊排列；冷卻太快，原子還沒排好就固定了。這就是玻璃。
也就是說，閃電岩是「極端的熱」和「極端的快」兩個條件同時湊齊時，才會誕生的自然作品。我們依序來看。
閃電的電流在沙中前進，同時變成「熱」
乾燥的沙子很不容易導電。硬把很大的電流送進不易導電的東西，它的路徑就會發熱。這跟電熱器的鎳鉻線會燒紅是同樣的原理。
閃電的電流據說可達數萬安培，是家用斷路器跳電電流的一千倍以上。這股電流在沙中分岔前進，沿途的沙子就會熔化。所以閃電岩的形狀，就像把閃電直接拓印在地底。
管子中間是空心的，是因為沙粒縫隙裡的空氣和水分被瞬間加熱而膨脹。膨脹的氣體把熔化的沙子往外推，就這樣固定下來。內側光滑，是因為那是熔化面冷卻凝固的痕跡。外側則黏著一些半熔的沙粒，所以粗糙。
圖1的左邊是地面的剖面，右邊是把管子橫切的樣子。請拉動滑桿，把熔化的範圍調粗看看。
玻璃和石英成分相同，差別在哪裡？
大部分沙粒是一種叫石英的結晶。結晶是指原子像磁磚一樣整齊排列的固體。把它熔化後，這種排列就會散開，變成流動的液體。
如果從這個狀態慢慢冷卻，原子會一點一點找回原來的位置，再次整齊排好。但閃電岩的情況是，熔化的沙子外面緊貼著冰冷的沙。熱量被一下子帶走，原子在重新排列之前就動不了了。就這樣雜亂地凝固的固體，就是玻璃（圖2）。
其實窗玻璃也是用同樣的想法製成：把沙子放進爐裡熔化，再以不讓它變回結晶的速度冷卻。閃電在大自然中，不需任何準備就做到了這件事。
以演化論聞名的達爾文，在小獵犬號航行途中，記錄了他在南美洲烏拉圭的沙丘觀察到閃電岩。據說沙中有好幾根玻璃管垂直向下延伸。外表不起眼，但對以前的人來說，這就像「閃電的化石」般神奇。
閃電岩裡發現了一般岩石中幾乎沒有的磷化合物。有研究認為，在遠古地球上，閃電可能把構成生物所需的磷，轉變成容易利用的形態。
像能形成閃電岩的空曠沙地，人站在上面很容易成為閃電的通道。一聽到隆隆雷聲，請立刻躲進建築物或車內。也不要靠近高大的樹木或柱子。萬一有人被閃電擊中，請立刻撥打119（日本的緊急電話；台灣請打119）。被雷擊的人身上不會殘留電，所以確認周圍安全後，就可以進行急救。
總結
閃電的通道約3萬℃。沙子的成分石英約1700℃就會熔化，所以沿著通道的沙子會瞬間熔化。接著立刻被周圍冰冷的沙子冷卻，原子來不及重新排列，就凝固成玻璃。中間的空洞，是膨脹的空氣和水蒸氣撐開的痕跡。
閃電岩是閃電留在沙裡的「瞬間紀錄」。
太熱、又太快，兩者合起來才生出玻璃。
想知道一次閃電有多大的能量，請讀「一次閃電的能量，能供一個家用多少電？」；閃電如何把空氣變成肥料，請讀「閃電多的年份稻米會豐收，是真的嗎？」。
- 取一點海邊或公園的沙，用放大鏡看看。透明又有稜角的顆粒，就是石英的結晶。
- 請大人陪同，用小鍋把3大匙砂糖和1小匙水煮濃。變色後，一點一點滴在鋁箔紙上急速冷卻，就會變成透明又硬的「琥珀糖」。這就是砂糖的玻璃。
- 為了對照，把糖水倒進小盤子，放幾天讓它慢慢乾。這次會長出白色的小顆粒（結晶）。同樣是砂糖，冷卻、凝固的方式不同，外觀就完全不一樣。
煮濃的糖溫度遠超過100℃。為了避免燙傷，一定要由大人操作鍋子，等完全冷卻再碰。
想知道更多的人 ― 用語・算式・與課本的連結從國中理化到大學專業課程，清楚標示是哪個程度的內容
- 國中國中理化學到的範圍
- 高中高中「物理」「化學」學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或課本專欄的內容
- 大學高中不會學、大學專業課程（材料科學・地球科學）的內容
- 研究連大學也不當作定論教、目前研究者正在探究的內容
國中用語：這個現象有名字
- 閃電岩：閃電打在沙或岩石上時，沿通道熔化再凝固而成的玻璃管或玻璃塊。
- 石英：二氧化矽的結晶。佔了大部分沙粒，透明的大結晶稱為水晶。
- 玻璃（非晶質）：原子沒有規則排列就凝固的固體。與結晶不同，不會形成固定形狀的顆粒。
- 焦耳熱：電流流過不易導電的物體時產生的熱。
國中高中用算式確認：做出1m的閃電岩，需要多少熱？
把熔化的範圍想成半徑1cm、長1m的圓柱，計算熔化這些沙所需的熱。符號的意義如下。
| Q | 所需熱量（單位為千焦耳 kJ） |
| m | 熔化的沙的質量（單位為 kg） |
| c | 比熱：讓1kg升高1℃所需的熱（kJ/(kg・℃)） |
| ΔT | 升高的溫度幅度（℃） |
| L | 熔化熱：在熔點溫度下，把固體變成液體所需的熱（kJ/kg） |
| 用符號寫 | Q ＝ m × ( c × ΔT ＋ L )、 m ＝ π × r² × 長度 × 密度 |
| 用文字寫 | 所需熱量 ＝ 沙的質量 ×（加熱到熔點的熱 ＋ 熔化所需的熱） |
| 這是從哪來的式子 | 能量守恆。閃電的電在沙中變成熱，這些熱用在「升溫」和「把固體變成液體」兩方面，這就是熱量的收支。 |
| 半徑1cm的平方（r²） | 0.0001 m² |
| 乾沙的密度 | 約1600 kg/m³ |
| 石英的比熱（高溫時的平均參考值） | 約0.8 kJ/(kg・℃) |
| 加熱幅度（從約20℃到約1720℃） | 約1700 ℃ |
| 石英的熔化熱（參考值） | 據說約150 kJ/kg |
| 一次閃電的能量（參考值） | 據說約10億焦耳 ＝ 1000000 kJ |
| 截面積（π × r²） | 3.14 × 0.0001 ＝ 0.000314 m² |
| 長1m的沙的質量 | 0.000314 × 1600 ≒ 0.5 kg |
| 把1kg加熱到1720℃的熱（c × ΔT） | 0.8 × 1700 ＝ 1360 kJ |
| 加上熔化的熱（＋ L） | 1360 ＋ 150 ＝ 1510 kJ |
| 長1m所需的熱 Q | 1510 × 0.5 ＝ 755 kJ |
| 一次閃電理論上能熔化幾m | 1000000 ÷ 755 ≒ 1325 m |
1m閃電岩所需的熱約為76萬焦耳，相當於微波爐（600W）運轉20多分鐘的量。一次閃電的能量，算起來足以熔化1km以上。但實際的閃電岩只有數十cm到數m，是因為閃電的大部分能量用來加熱空氣，並化成光和聲音散失了。真正傳到地面、熔化沙子的，只是其中極少的一部分。
高中高中＋電流變成熱的原理，以及急速冷卻為什麼不會變成結晶
高中電流I流過電阻R的物體時，每秒會產生 I² × R 的熱（焦耳定律）。因為與電流的平方成正比，數萬安培的閃電即使只有短短一瞬，也會產生龐大的熱。乾沙的電阻大，比濕沙更容易發熱；但電流會挑選濕潤的部分和顆粒縫隙流動，所以管子會分岔。
高中＋熔化的二氧化矽黏性非常大，原子要移動、重新排列很花時間。因此不必像窗玻璃那樣急速冷卻，也不容易結晶，是在自然界中容易保留成玻璃的物質。閃電岩的玻璃是幾乎純粹的二氧化矽玻璃，稱為勒夏特列石（lechatelierite）。
大學玻璃轉變與閃電造成的還原反應
液體冷卻到某個溫度附近時，黏性會急遽增加，原子的排列被凍結。這稱為玻璃轉變，那個溫度稱為玻璃轉變點。當冷卻速度超過結晶化的速度，液體就不會結晶，而成為非晶質固體。另外，閃電的通道高達數千℃以上，是容易發生奪走氧的反應（還原）的環境。據說這就是為什麼閃電岩中會發現地表罕見的金屬鐵顆粒和磷化物（如 schreibersite）。熱的出入可用焦耳定律和熔化熱來估算。
📖 算式的推導與更進階的內容：焦耳熱（維基百科） ／ 熔化熱（維基百科）
研究目前還不清楚的事
- 閃電是否幫助了生命誕生？ 2021年有研究根據閃電岩中的磷化物估算，遠古地球上每年有相當大量的磷被閃電變成了「可利用的形態」。它到底有多重要，目前仍在討論。
- 沙中的時間與溫度究竟如何？ 有研究從閃電岩的礦物反推到達的溫度，但各地差異很大，一次落雷過程中的時間變化還不太清楚。
- 能從古老的閃電岩得知過去閃電有多頻繁嗎？ 有人嘗試計算地層中留下的閃電岩，探索過去氣候與閃電的關係。
也就是說，這篇文章的內容也只是「目前所知範圍內的說明」。數值會隨條件大幅變動，請當作參考值來閱讀。
與課本的連結（依程度）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的哪裡 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科1年「狀態變化」、2年「電流與發熱」 | 沙子熔化再凝固／電流產生熱 |
| 高中 | 物理「熱量守恆・焦耳定律」 | 用算式確認・發熱的原理 |
| 高中＋ | 化學「結晶與非晶質」 | 石英與玻璃的差別 |
| 大學 | 材料科學・地球化學 | 玻璃轉變・還原反應 |
| 研究 | 行星科學・生命起源 | 閃電造成的磷的轉變 |
| ― | 與生活的連結 | 窗玻璃的製法・打雷時的避難 |
※本文是為一般讀者撰寫的科學解說。文中數值是為了幫助理解原理的參考值與概算。遇到雷雨時，請依氣象資訊及消防、地方政府等的指示行動。