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雷電是怎樣產生的?

發布日期: 2018年09月10日    來源:中國氣象報社    


  產生雷電的條件是雷雨云中有雷擊并形成極性。科學家們對雷雨云的帶電機制及電荷有規律分布進行了大量的觀測和試驗,積累了許多資料,并提出各種各樣的解釋,但有些論點至今還有爭論。

  對流云初始階段的“離子流”假說

  大氣中存在著大量的正離子和負離子,在云中的雨滴上,電荷分布是不均勻的,最外邊的分子帶負電,里層的帶正電,內層比外層的電勢差約高0.25V。為了平衡這個電勢差,水滴就必須優先吸收大氣中的負離子,這就使水滴逐漸帶上了負電荷。當對流發展開始時,較輕的正離子逐漸被上升的氣流帶到云的上部;而帶負電的云滴因為比較重,就留在了下部,造成了正負電荷的分離。

  冷云的電荷積累

  當對流發展到一定階段,云體升入0℃層以上的高度后,云中就有了過冷水滴、霰粒和冰晶等。這種由不同相態的水汽凝結物組成且溫度低于0℃的云,叫冷云。冷云的電荷形成和積累過程有如下幾種:

  ① 過冷水滴在霰粒上撞凍起電

  在云層中有許多水滴在溫度低于0℃時也不會凍結,這種水滴叫過冷水滴。過冷水滴是不穩定的,只要它們被輕輕地震動一下,就馬上凍結成冰粒。當過冷水滴與霰粒碰撞時,會立即凍結,這叫撞凍。當發生撞凍時,過冷水滴外部立即凍成冰殼,但它的內部仍暫時保持著液態,并且由于外部凍結釋放的潛熱傳到內部,其內部液態過冷水的溫度比外面的冰殼高。溫度的差異使得凍結的過冷水滴外部帶上正電,內部帶上負電。當內部也發生凍結時,云滴就膨脹分裂,外表皮破裂成許多帶正電的冰屑,隨氣流飛到云層上部,帶負電的凍滴核心部分則附在較重的霰粒上,使霰粒帶負電并留在云層的中下部。

  ② 冰晶與霰粒的摩擦碰撞起電

  霰粒是由凍結水滴組成的,成白色或乳白色,結構比較松脆。由于經常有冷水滴與它撞凍并釋放潛熱,它的溫度一般比冰晶高。在冰晶中含有一定量的自由離子(OH-和H+),離子數隨溫度升高而增多。由于霰粒與冰晶接觸部分存在著溫度差,高溫端的自由離子必然要多于低溫端,因而離子必然從高溫端向低溫端遷移。離子遷移時,帶正電的氫離子速度較快,而帶負電的較重的氫氧根離子則較慢。因此,在一定時間內就出現了冷端氫離子過剩的現象,造成了高溫端為負,低溫端為正的電極化。當冰晶與霰粒接觸后,又分離時,溫度較高的霰粒就帶上了負電,而溫度較低的冰晶就帶上了正電。在重力和上升氣流的作用下,較輕的帶正電的冰晶集中到云的上部,較重的帶負電的霰粒則停留在云層的下部,因而造成了冷云的上部帶正電而下部帶負電。

  ③ 水滴因含有稀薄鹽分而起電

  除了上述冷云的兩種起電機制外,還有人提出了由于大氣中水滴含有稀薄鹽分而產生起電機制。當云滴凍結時,冰的晶格中可以容納負的氯離子,卻排斥正的鈉離子。因此,水滴凍結的部分帶負電,而未凍結的部分帶正電(水滴凍結時是從里向外進行的)。由于水滴凍結而成的霰粒在下落的過程中,摔掉表面還未來得及凍結的水分,形成許多帶正電的小云滴,而凍結的核心部分則帶負電。由于重力和氣流的分選作用,帶正電的小水滴被帶到云的上部,而帶負電的霰粒則停留在云的中、下部。

  暖云的電荷積累

  在熱帶地區,有一些云整個云體都位于0℃以上區域。因而只含有水滴而沒有固態水粒子。這種云叫暖云或水云。暖云也會出現雷電現象。在中緯度地區的雷暴云,云體位于0℃等溫線以下的部分,就是云的暖區。在云的暖區里也有起電過程發生。

  在雷雨云的發展過程中,上述機制在不同的發展階段分別起作用。但是,最主要的帶電機制還是由于水滴凍結造成的。大量觀測事實表明,只有當云頂呈現纖維狀絲縷結構時,云發展成為雷雨云。飛機觀測發現,雷雨云中存在以冰、雪晶和霰粒為主的大量云粒子,而且大量電荷的積累即雷雨云帶電機制,必須依靠霰粒生長過程的碰撞、撞凍和摩擦等才能發生。

(責任編輯:蘇杰西)



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