雷雨雲起電

雷雨雲中電荷分布模式最先為雷雨雲的電偶極子模式：雷雨雲上部為中心高度 6公里、半徑2公里、含正電24庫的區域，下部為中心高度3公里、半徑 1公里、含負電20庫的區域，雲底附近有一個中心高度1.5公里、半徑0.5公里、含正電 4庫的區域（往往稱為正電荷中心）。

基本介紹

• 中文名：雷雨雲起電
• 外文名：electrification in thunderclouds
• 起電理論：離子反彈的荷電過程等
• 概念介紹：雷雨雲起電
• 理論1：離子反彈的荷電過程
• 理論2：離子選擇俘獲的荷電過程

基本介紹

雷雨雲中產生電荷並形成一定空間分布的過程，是大氣電學的重要內容之一。

雷雨雲中電荷分布模式最先為雷雨雲的電偶極子模式：雷雨雲上部為中心高度 6公里、半徑2公里、含正電24庫的區域，下部為中心高度3公里、半徑 1公里、含負電20庫的區域，雲底附近有一個中心高度1.5公里、半徑0.5公里、含正電 4庫的區域（往往稱為正電荷中心）。這是從雷雨雲電場探空儀的數十次探測結果歸納出來的。隨著探測技術的改進和觀測資料的積累，對上述電偶極子模式提出不少修正，如各電荷中心的電量和所在高度均有改變。觀測還發現，電偶極子的軸常會傾斜，某些雷雨雲中電荷中心的分布還會反轉過來，但在尚無更合理的模式之前，仍用電偶極子模式來代表雷雨雲中的電荷分布。

特點

根據觀測結果，雷雨雲中的電除上述電偶極子分布外，還有下列特徵：①單個雷暴的降水和電活動時間為30～40分鐘。②雲厚至少為3～4公里才能產生強起電和閃電；發展很高的雷雨雲，閃電頻數要高得多；雲中有冰存在的區域內能產生強起電和閃電，但無冰存在的雲內偶爾也能產生強起電。③強對流活動和降水兩者是產生閃電的重要條件，但降水小於3毫米/時的雲也能產生閃電。④雷雨雲中產生閃電的平均率為每分鐘數次，要求的起電電流為1安，每次閃電放電大約產生100庫·公里的電矩變化，相應的電荷輸送量為數十庫。⑤雲中電場強度平均在(2～5)×10伏/米之間，但強起電過程能產生的雲中電場強度大於 4×10伏/米，空間電荷大於2×10庫/米。

起電過程

(1)觀測表明，一般情形下，大氣攜帶有正電荷，地面為負電荷，大氣具有方向向下的電場，當出現強對流雲中有大粒子冰雹和小粒子冰晶時。在沒有電場時，這兩種粒子內部的正負電荷重合一起而在有大氣電場時，在電場的作用下，粒子內部的正電荷沿電場方向移動，負電荷要逆著電場方向移動，形成粒子的上半部為負電荷、下半部為正電荷，一個粒子表現為正、負兩個電極，即電介質的極化。

(2)在強對流雲中的冰雹和冰晶粒子由於其重量差異大，輕的冰晶粒子在上升氣流作用下向上運動，而重的冰雹克服上升氣流向下運動。兩種粒子相反方向運動，結果相遇發生碰撞接觸時交換電量，無論是大粒子或小粒子的正負電荷分布均為粒子的上半部以負電荷為主、下半部為正電荷，因此在碰撞接觸時交換電量時，大粒子冰雹的正電荷與小粒子上半部的負電荷合併中和，由於這兩種是固體粒子，碰撞接觸後就分離，這樣冰雹粒子失去正電荷而帶負電荷，冰晶粒子失去負電荷後帶正電荷。

(3)通過重力分離機制，帶正電荷的冰晶粒子輕隨上升氣流向雲的上部運動，帶負電荷的冰雹粒子因很重，在重力作用下克服上升氣流向雲的下部運動，從而形成雲的上部為正電荷冰雹粒子，雲的下部為負的電荷冰晶粒子。

起電理論

主要的雷雨雲起電理論有5種

離子反彈荷電

雲滴或冰晶由降水粒子上碰撞彈回的荷電過程　最早由J.埃爾斯特和H.蓋特爾在19世紀末提出，20世紀70年代以來，又為許多研究工作者所發展。雨滴或冰雹等降水粒子在指向朝下的大氣電場（如晴天電場）作用下發生極化，造成上半部帶負電、下半部帶正電，所以由降水粒子下半部碰撞彈回的雲滴或冰晶，將帶走它們下部一部分正電荷。由於降水粒子下降快，雲滴和冰晶下降慢,造成重力分離,這時雲的上部為雲滴和冰晶（或只有一種），形成正電荷中心，雲下部為降水粒子，形成負電荷中心。根據計算，發現冰晶由極化冰雹上的碰撞彈回過程或雲滴由極化雨滴上的碰撞彈回過程，均可產生雷雨雲中的起電。

離子俘獲荷電

一個極化的雨滴在有離子或帶電雲滴的雲中降落時，如果雨滴在指向朝下的電場中降落的速度大於正離子在電場中的向下運動速度，則雨滴將會排斥正離子而俘獲負離子(見大氣離子)，這種選擇俘獲過程早在20世紀20年代C.T.R.威耳孫就提出過，故稱威耳孫機制。根據計算，當雲中電場強度增大到一定程度後，這種選擇俘獲過程就不能維持。一般這一過程只能在電場強度小於10千伏/米時發生。

凍的熱電效應

當一塊中性凍的兩端維持穩定的溫差時，熱端將出現剩餘負電荷，冷端將出現剩餘正電荷,使兩端有一定的電位差,這就是凍的熱電效應。這由E.J.沃克曼和S.E.雷諾在20世紀40年代最先發現。故當兩塊溫度不同的冰瞬間接觸時，溫度較高的一塊將得到負電荷，而溫度較低的一塊將得到正電荷。熱電效應說明了冰在溫度分布不均勻情況下的電荷分離現象，它可以解釋下述兩種起電過程：一種是當冰雹由過冷水滴和冰晶組成的冷雲中降落時的起電過程。這時冰雹與大量過冷水滴碰撞，後者釋放的凍結潛熱使得冰雹比冰晶溫度更高些，因而冰晶與冰雹接觸彈回後，根據熱電效應,冰雹將帶負電而冰晶帶正電。經過重力分離作用,雲的上部為冰晶，下部為冰雹，所以雲的正電中心在上部而負電中心在下部。另一種是結霜起電。考慮冰雹與過冷雲滴的碰撞，這時雲滴在冰雹表面上凍結(結霜現象)，形成內層暖外殼冷的溫度分布。根據熱電效應，凍滴外層帶正電,內層帶負電。由於內層凍結時的體積膨脹,使最初已凍結的外殼脹破並拋射出一些小冰屑(或小水滴)，帶走正電荷，而留下的凍滴主體（冰雹）帶負電。經重力分離，雲的上部為小冰屑或小水滴，形成正電荷中心，下部為冰雹，形成負電荷中心。

雨滴破碎起電

早在19世紀末，P.萊納德就發現當大水滴被氣流吹裂時，碎裂後的大殘塊帶正電，小碎沫帶負電。由此認為雨滴在雲底附近被上升氣流吹碎，使得大殘塊在雲底附近形成次正電荷中心，而小碎沫被上升氣流帶上去形成負電荷中心。

對流起電

為B.馮內古特在50年代所提出，他認為雲的對流運動反抗電場力而起輸送和聚集荷電雲滴和冰晶的作用。上升氣流攜帶雲底正離子向雲中運動，直至上部形成正電荷區。由於高空傳導電流使大量負離子來到雲的上表面並附在雲滴或冰晶上（見地空電流），然後由雲周圍強烈的下沉氣流帶下來。到達雲下的負電荷增強了地面電場，使地面感應，產生尖端放電，從而產生更多的正離子，這種正反饋過程最終將造成雷雨雲中常見的電荷分布。