閃電的成因
雷暴時的大氣電場與晴天時有明顯的差異,產(chǎn)生這種差異的原因,是雷雨云中有電荷的累積并形成雷雨云的極性,由此產(chǎn)生閃電而造成大氣電場的巨大變化.但是雷雨云的電是怎么來的呢?也就是說,雷雨云中有哪些物理過程導致了它的起電?為什么雷雨云中能夠累積那么多的電荷并形成有規(guī)律的分布?本節(jié)將要回答這些問題.前面我們已經(jīng)講過,雷雨云形成的宏觀過程以及雷雨云中發(fā)生的微物理過程,與云的起電有密切聯(lián)系.科學家們對雷雨云的起電機制及電荷有規(guī)律的分布,進行了大量的觀測和實驗,積累了許多資料并提出了各種各樣的解釋,有些論點至今也還有爭論.歸納起來,云的起電機制主要有如下幾種：
A.對流云初始階段的“離子流”假說
大氣中總是存在著大量的正離子和負離子,在云中的水滴上,電荷分布是不均勻的：最外邊的分子帶負電,里層帶正電,內層與外層的電位差約高0．25伏特.為了平衡這個電位差,水滴必須“優(yōu)先’吸收大氣中的負離子,這樣就使水滴逐漸帶上了負電荷.當對流發(fā)展開始時,較輕的正離子逐漸被上升氣流帶到云的上部；而帶負電的云滴因為比較重,就留在下部,造成了正負電荷的分離.
B.冷云的電荷積累
當對流發(fā)展到一定階段,云體伸入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(tài)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：
a.冰晶與霰粒的摩擦碰撞起電
霰粒是由凍結水滴組成的,呈白色或乳白色,結構比較松脆.由于經(jīng)常有過冷水滴與它撞凍并釋放出潛熱,故它的溫度一般要比冰晶來得高.在冰晶中含有一定量的自由離子(OH-或OH+),離子數(shù)隨溫度升高而增多.由于霰粒與冰晶接觸部分存在著溫差,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,較輕的帶正電的氫離子速度較快,而帶負電的較重的氫氧離子(OH-)則較慢.因此,在一定時間內就出現(xiàn)了冷端H+離子過剩的現(xiàn)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負電,而溫度較低的冰晶則帶正電.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,較重的帶負電的霞粒則停留在云的下部,因而造成了冷云的上部帶正電而下部帶負電.
b.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℃時仍不凍結,這種水滴叫過冷水滴.過冷水滴是不穩(wěn)定的,只要它們被輕輕地震動一下,馬上就會凍結成冰粒.當過冷水滴與霰粒碰撞時,會立即凍結,這叫撞凍.當發(fā)生撞凍時,過冷水滴的外部立即凍成冰殼,但它內部仍暫時保持著液態(tài),并且由于外部凍結釋放的潛熱傳到內部,其內部液態(tài)過冷水的溫度比外面的冰殼來得高.溫度的差異使得凍結的過冷水滴外部帶正電,內部帶負電.當內部也發(fā)生凍結時,云滴就膨脹分裂,外表皮破裂成許多帶正電的小冰屑,隨氣流飛到云的上部,帶負電的凍滴核心部分則附在較重的霰粒上,使霰粒帶負電并停留在云的中、下部.
c.水滴因含有稀薄的鹽分而起電
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的水滴含有稀薄的鹽分而產(chǎn)生的起電機制.當云滴凍結時,冰的晶格中可以容納負的氯離子(Cl-),卻排斥正的鈉離子(Na+).因此,水滴已凍結的部分就帶負電,而未凍結的外表面則帶正電(水滴凍結時,是從里向外進行的).由水滴凍結而成的霰粒在下落過程中,摔掉表面還來不及凍結的水分,形成許多帶正電的小云滴,而已凍結的核心部分則帶負電.由于重力和氣流的分選作用,帶正電的小滴被帶到云的上部,而帶負電的霰粒則停留在云的中、下部.
d．暖云的電荷積累
上面講了一些冷云起電的主要機制.在熱帶地區(qū),有一些云整個云體都位于0℃以上區(qū)域,因而只含有水滴而沒有固態(tài)水粒子.這種云叫做暖云或“水云”.暖云也會出現(xiàn)雷電現(xiàn)象.在中緯度地區(qū)的雷暴云,云體位于0℃等溫線以下的部分,就是云的暖區(qū).在云的暖區(qū)里也有起電過程發(fā)生.
在雷雨云的發(fā)展過程中,上述各種機制在不同發(fā)展階段可能分別起作用.但是,最主要的起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(xiàn)纖維狀絲縷結構時,云才發(fā)展成雷雨云.飛機觀測也發(fā)現(xiàn),雷雨云中存在以冰、雪晶和霰粒為主的大量云粒子,而且大量電荷的累積即雷雨云迅猛的起電機制,必須依靠霰粒生長過程中的碰撞、撞凍和摩擦等才能發(fā)生.