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雷电形成原因

发布时间:2023-11-15 点击:484

雷电是伴有闪电和雷鸣的一种大气中的放电现象

雷电产生于积雨中,积雨云在形成过程中,某些云团带正电荷,某些云团带负电荷,不同电荷在空中相遇,就会随之产生强烈的闪电和巨响。雷电分直击雷、电磁脉冲、球形雷、云闪四种。

在任何给定时间,世界上都有1800场雷雨正在产生,每秒大约有100次雷击。在美国,雷电每年会造成大约150人死亡和250人受伤。全世界每年有4000多人惨遭雷击。

产生雷电的条件是雷雨云中有堆集并形成极性。科学家们对雷雨云的带电机制及电荷有规律分布,进行了大量的观测和试验,堆集了许多材料,并提出各种各样的解释,有些论点至今还有争辩。

对流云初始阶段的“离子流”假说

大气中存在这大量的正离子和负离子,在云中的雨滴上,电荷分布是不均匀的,最外边的分子带负电,里层的带正电,内层比外层的电势差约高0.25V。为了平衡这个电势差,水滴就必须优先吸收大气中的负离子,这就使水滴逐渐带上了负电荷。当对流发展开始时,较轻的正离子逐渐的被上升的气流带到云的上部;而带负电的云滴因为比较重,就留在了下部,造成了正负电荷的分离。

冷云的电荷堆集

当对流发展到一定阶段,云体伸入0℃层以上的高度后,云中就有了过冷水滴、霰粒和冰晶等。这种由不同相态的水汽凝结物组成且温度低于0℃的云,叫冷云。冷云的电荷形成和堆集过程有如下几种:

① 过冷水滴在霰粒上撞冻起电

雷电(3)在云层重有许多水滴在温度低于0℃时也不会冻住,这种水滴叫过冷水滴。过冷水滴是不稳定的,只要它们被轻轻地震动一下,就立刻冻住称冰粒。当过冷水滴与霰粒碰撞时,会立即冻住,这叫撞冻。当产生撞冻时,过冷水滴外部立即冻成冰壳,但它的内部仍暂时保持着液态,并且因为外部冻住放的潜热传到内部,其内部液态过冷水的温度比外面的冰壳高。温度的差异使得冻住的过冷水滴外部带上正电,内部带上负电。当内部也产生冻住时,云滴就膨胀分裂,外表皮破裂成许多带正电的冰屑,随气流飞到云层上部,带负电的冻滴核心部分则附在较重的霰粒上,使霰粒带负电并留在云层的中下部。

② 冰晶与霰粒的摩擦碰撞起电

霰粒是由冻住水滴组成的,成白色或乳白色,结构比较松脆。因为经常有冷水滴与它撞冻并释放潜热,它的温度一般比冰晶高。在冰晶中含有一定量的自由离子(OH-和H+),离子数随温度升高而增多。因为霰粒与冰晶触摸部分存在着温度差,高温端的自由离子必然要多于低温端,因而离子必然从高温端向低温端迁移。离子迁移时,带正电的氢离子速度较快,而带负电的较重的氢氧根离子则较慢。因此,在一定时间内就出现了冷端氢离子过剩的现象,造成了高温端为负,低温端为正的电极化。当冰晶与霰粒触摸后,又分离时,温度较高的霰粒就带上了负电,而温度较低的冰晶就带上了正电。在重力和上升气流的效果下,较轻的带正电的冰晶集中到云的上部,较重的带负电的霰粒则停留在云层的下部,因而造成了冷云的上部带正电而下部带负电。

③ 水滴因含有稀薄盐分而起电

出了上述冷云的两种起电机制外,还有人提出了因为大气中水滴含有稀薄盐分而产生起电机制。当云滴冻住时,冰的晶格中可以容纳负的氯离子,却排斥正的钠离子。因此,水滴冻住的部分带负电,而未冻住的部分带正电(水滴冻住时是从里向外进行的)。因为水滴冻住而成的霰粒在下落的过程中,摔掉外表还未来得及冻住的水分,形成许多带正电的小云滴,而冻住的核心部分则带负电。因为重力和气流的分选效果,电正点的小滴被带到云的上部,而带负电的霰粒则停留在云的中、下部。

暖云的电荷堆集

在热带区域,有一些云整个云体都位于0℃以上区域。因而只含有水滴而没有固态水粒子。这种云叫暖云或水云。暖云也会出现雷电现象。在中纬度区域的雷暴云,云体位于0℃等温线一下的部分,就是云的暖区。在云的暖区里也有起电过程产生。

在雷雨云的发展过程中,上数机制在不同的发展阶段分别起效果。但是,最主要的带电机制还是因为水滴冻住造成的。大量观测事实表明,只有当云顶呈现纤维状,丝缕结构时,云彩发展成为雷雨云。飞机观测发现,雷雨云中存在以冰、雪晶和霰粒为主的大量云粒子,而且大量电荷的堆集即雷雨云迅猛带电机制,必须依靠霰粒生长过程的碰撞、撞冻和摩擦等才能产生。


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