打雷多的年份稻米會豐收，是真的嗎？
― 日文「稻妻」這個名字裡，藏著把空氣變成肥料的化學
在稻米成熟的季節裡閃爍的雷光，日本自古以來就稱之為「稻妻」，據說意思是帶來稻米豐收之物。聽起來像是單純的傳說，但雷確實會從空氣中製造出肥料的原料。那麼豐收的說法也是真的嗎？實際算一算量，答案是「只對了一半」。
九月的傍晚，田裡的稻穗沉甸甸地低垂著，遠方的天空悄無聲息地泛著微光。
過了一會兒，開始下雨了。隔天，田邊的草看起來顏色似乎變濃了一些。
古人看見這道光，便說「今年稻米會豐收」。這句話究竟說中了多少呢？
先說結論，原因分成兩部分
空氣中約78%是氮。但氮氣本身，植物完全無法利用。雷經過時產生的高溫，會把這種氮轉變成植物可以利用的形式。這不是傳說，而是真實發生的化學反應。
計算生成的量會發現，只有稻田一年所需氮量的大約千分之一。這個量無法用「雷施肥造成豐收」的說法來解釋。
也就是說，「稻妻」這個名字，在化學原理上說對了，但在量上卻大錯特錯。首先來看看，為什麼空氣中的氮無法直接派上用場。
明明空氣裡到處都是氮，為什麼植物還會缺肥？
氮是肥料三大要素之一，是製造葉片與蛋白質不可或缺的成分。而氮就在我們身邊，多到用不完。空氣中約78%是氮，田地上空自然也飄著大量的氮。
然而植物卻碰不到這些氮。因為空氣中的氮，是由兩個原子以三重鍵緊緊結合而成的。要拆開這種結合，需要非常龐大的能量。植物能吸收的氮，只有溶在水中、化為硝酸根離子或銨根離子的形式。
有一樣東西能強行拆開這個牢不可破的結合，那就是雷。雷經過的路徑上，空氣據說會被加熱到約攝氏3萬度，是太陽表面溫度的好幾倍。在這樣的高溫下，氮與氧都會被拆散成原子，冷卻時重新結合成另一種物質——一氧化氮（圖1）。
那麼，這個量到底有多少？
接下來才是重點。雷所產生的氮，量多到足以幫上稻田的忙嗎？據估計，全世界的雷一年產生的氮大約有數百萬公噸，聽起來是個驚人的數字。
然而，這是整個地球一年降下的總量。若除以地球表面積，每平方公里只有約10公斤。換算成每10公畝（約1000平方公尺）的稻田，大約只有10公克左右。而稻米一年所需的氮，每10公畝約需9公斤。兩者相差約1000倍（圖2）。
那麼，稻田裡的氮究竟從何而來呢？其一是土壤中的微生物。能把空氣中的氮轉變成可利用形式的細菌，正在根部周圍與水中默默工作。其二是人施的肥料。和這兩者相比，雷帶來的量可說是誤差範圍。
「稻妻」的「妻」，在古日文裡不分夫或妻，皆可指配偶。據說這個名字源自於「雷與稻結為連理而使其結實」的觀念。古人其實觀察得很仔細，注意到稻米收割前這段時期雷特別多。可以說，觀察是正確的，只是對原因的解釋有所偏差。
打雷之後綠意看起來變濃，與其說是因為氮的緣故，不如說是土壤充分吸飽了水分、灰塵也被沖洗掉了。雨水本身的效果，遠遠大於氮的作用。
雷會產生足以拆開空氣中氮分子的高溫，絕不是人可以靠近的東西。一聽到轟隆隆的雷聲，請立刻離開田地或空曠處，躲進建築物內或車內。也請遠離樹木、電線杆等高聳物體。若發現有人倒下，請立即撥打119通報。
總結
雷確實會拆開空氣中的氮，將其轉變成植物可利用的形式。不過這個量，大約只有稻田所需氮量的千分之一。「稻妻」這個名字，可以說是把敏銳的觀察力與錯認原因的推理，凝結成了同一個詞。
雷確實會從空氣中製造肥料。
不過，要滿足稻田所需，還差了1000年份。
關於雷本身的形狀，請參閱為什麼閃電不是筆直落下，而是呈鋸齒狀彎曲？；關於如何保護自己，請參閱打雷時，為什麼不能躲在樹下？。至於稻田土壤中發生的事，也歡迎參閱稻田的水，為什麼要在夏天故意放乾？。
- 從安全的室內，數一數從看見閃光到聽到雷聲之間經過的秒數。秒數乘以340，就能算出到雷的大約距離（公尺）。
- 把同一地點的草或田地，在下雨前與雨後兩天分別拍照比較顏色。如果有變化，想想看這是水的作用，還是氮的作用。
- 如果有市售的土壤用硝酸根離子試紙，可以在下雨前後測量庭院土壤的水分。不過只經歷一次雷雨，通常還看不出可辨識的差異。
第三項是「確認看不出差異」的觀察。看到結果不如預期，也是一種扎實的實驗。
想了解更多 ― 用語、公式與教科書的關聯從國中理科到大學專業科目，明確標示各段落的程度
- 國中國中理科課程範圍
- 高中高中「化學基礎．化學」課程範圍
- 高中＋高中進階內容，或教科書專欄性質的內容
- 大學高中不教，屬於大學專業科目（大氣化學、土壤學）的內容
- 研究就連大學也還沒當作「定論」教授，是研究人員目前正在調查中的內容
國中用語：這個現象是有名字的
- 固氮作用：把空氣中的氮轉變成生物可利用形式的過程。除了雷之外，根瘤菌等細菌，以及工廠也都能進行固氮。
- 三重鍵：原子之間以相當於三條鍵的強度結合的狀態。氮分子就是以這種形式結合，因此非常難以拆開。
- 硝酸根離子：硝酸溶於水後的形式。植物的根就是以這種形式吸收氮。
國中高中用算式確認：雷帶給稻田的氮，到底有多少？
把全球的總量，一步步除算到單一一塊稻田的規模。單位統一用公斤，不使用符號，只用數字來計算。
| 雷在全球一年產生的氮 | 約50億公斤（500萬公噸） |
| 地球表面積 | 約5億1000萬平方公里 |
| 稻米一年所需的氮（每10公畝） | 約9公斤 |
| 換算成每平方公里 | 5000000000 ÷ 510000000 ≒ 9.8 |
| 換算成每10公畝（0.001平方公里） | 9.8 × 0.001 ＝ 0.0098 |
| 與稻米所需量比較 | 0.0098 ÷ 9 ≒ 0.0011 |
最後得出的0.0011，大約就是千分之一的意思。0.0098公斤約等於10公克，重量差不多只有兩茶匙水那麼重。這就是雷一年對一塊稻田的貢獻。
高中高中＋為什麼需要那麼高的溫度？
高中拆開氮分子鍵結所需的能量，據估計每莫耳約940千焦耳，在我們身邊常見的分子中，是特別大的數值。一般的火焰溫度，幾乎不會引發任何反應。
高中＋氮與氧生成一氧化氮的反應，是吸熱反應，溫度越高越容易進行。在雷擊通道中生成的一氧化氮，因為急速冷卻而得以保留下來、不再分解，之後才慢慢轉變成二氧化氮，再進一步變成硝酸。
大學從大氣化學的角度看，雷是「氮氧化物的其中一種來源」
在大氣化學中，雷與汽車、工廠並列，被視為氮氧化物的來源之一。由於是在遠離地表的高空生成，也會影響臭氧的生成。另一方面，從土壤學的角度來看，來自雷的氮，只是隨降水抵達地面的「濕沉降」中極小的一部分。同樣的物質，從不同領域來看，分量卻完全不同。
研究目前尚未完全釐清的部分
- 估算的量存在落差 不同研究對雷產生的氮量，估算結果可以相差好幾倍。這是因為很難直接計算一次放電能生成多少分子。
- 今後雷擊次數會如何變化 雖然有預測認為氣溫上升會使雷變多，但增加的幅度，各研究之間的估算並不一致。
- 驗證與豐收關係的研究很少 排除天候影響、單獨檢驗雷多的年份與收成量之間關係的研究幾乎不存在。這項傳說本身的驗證，可說還是一片空白。
也就是說，本文的內容也只是「目前已知範圍內」的說明。尤其是全球總量的部分，未來很可能因新研究而被改寫。
與教科書的對應（依程度區分）
| 程度 | 科目．單元 | 對應本文哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科．氣象／植物的構造與功能 | 空氣的成分，以及植物需要氮這件事 |
| 高中 | 化學基礎．化學（鍵結與熱化學） | 拆開三重鍵所需的能量 |
| 高中＋ | 化學（平衡與溫度） | 高溫下生成一氧化氮、並因急冷而保留下來 |
| 大學 | 大氣化學．土壤肥料學 | 氮氧化物的來源，以及作為濕沉降的定位 |
| 研究 | 大氣化學．農業氣象學 | 估算的落差，以及與豐收關係的驗證 |
| ― | 與生活的關聯 | 聽到雷聲就要停止戶外作業並避難 |
- Schumann, U. and Huntrieser, H.「The global lightning-induced nitrogen oxides source」Atmospheric Chemistry and Physics, 2007
- 日本氣象廳（気象庁）關於「雷」的解說（雷的形成與人身安全的確保）
- 日本農林水產省（農林水産省）及各縣的施肥基準（水稻氮肥施用量的參考標準）
- 日本土壤肥料學會（日本土壌肥料学会）編著的土壤肥料學教科書（氮循環與固氮作用章節）
※本文為一般大眾取向的科學解說。文中所列數值，僅為幫助理解原理的參考概算。雷雨接近時的應對方式，請依照氣象廳發布資訊及消防、地方政府等指示行動。