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雷電形成原因

發(fā)布時(shí)間:2023-11-15 點(diǎn)擊:620

雷電是伴有閃電和雷鳴的一種大氣中的放電現象。

雷電產(chǎn)生于積雨中,積雨云在形成過(guò)程中,某些云團帶正電荷,某些云團帶負電荷,不同電荷在空中相遇,就會(huì )隨之產(chǎn)生強烈的閃電和巨響。雷電分直擊雷、電磁脈沖、球形雷、云閃四種。

在任何給定時(shí)間,世界上都有1800場(chǎng)雷雨正在產(chǎn)生,每秒大約有100次雷擊。在美國,雷電每年會(huì )造成大約150人死亡和250人受傷。全世界每年有4000多人慘遭雷擊。

產(chǎn)生雷電的條件是雷雨云中有堆集并形成極性?茖W(xué)家們對雷雨云的帶電機制及電荷有規律分布,進(jìn)行了大量的觀(guān)測和試驗,堆集了許多材料,并提出各種各樣的解釋?zhuān)行┱擖c(diǎn)至今還有爭辯。

對流云初始階段的“離子流”假說(shuō)

大氣中存在這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(gè)電勢差,水滴就必須優(yōu)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(fā)展開(kāi)始時(shí),較輕的正離子逐漸的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。

冷云的電荷堆集

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(guò)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。冷云的電荷形成和堆集過(guò)程有如下幾種:

① 過(guò)冷水滴在霰粒上撞凍起電

雷電(3)在云層重有許多水滴在溫度低于0℃時(shí)也不會(huì )凍住,這種水滴叫過(guò)冷水滴。過(guò)冷水滴是不穩定的,只要它們被輕輕地震動(dòng)一下,就立刻凍住稱(chēng)冰粒。當過(guò)冷水滴與霰粒碰撞時(shí),會(huì )立即凍住,這叫撞凍。當產(chǎn)生撞凍時(shí),過(guò)冷水滴外部立即凍成冰殼,但它的內部仍暫時(shí)保持著(zhù)液態(tài),并且因為外部?jì)鲎》诺臐摕醾鞯絻炔,其內部液態(tài)過(guò)冷水的溫度比外面的冰殼高。溫度的差異使得凍住的過(guò)冷水滴外部帶上正電,內部帶上負電。當內部也產(chǎn)生凍住時(shí),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

霰粒是由凍住水滴組成的,成白色或乳白色,結構比較松脆。因為經(jīng)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。因為霰粒與冰晶觸摸部分存在著(zhù)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(shí),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(shí)間內就出現了冷端氫離子過(guò)剩的現象,造成了高溫端為負,低溫端為正的電極化。當冰晶與霰粒觸摸后,又分離時(shí),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效果下,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

出了上述冷云的兩種起電機制外,還有人提出了因為大氣中水滴含有稀薄鹽分而產(chǎn)生起電機制。當云滴凍住時(shí),冰的晶格中可以容納負的氯離子,卻排斥正的鈉離子。因此,水滴凍住的部分帶負電,而未凍住的部分帶正電(水滴凍住時(shí)是從里向外進(jìn)行的)。因為水滴凍住而成的霰粒在下落的過(guò)程中,摔掉外表還未來(lái)得及凍住的水分,形成許多帶正電的小云滴,而凍住的核心部分則帶負電。因為重力和氣流的分選效果,電正點(diǎn)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。

暖云的電荷堆集

在熱帶區域,有一些云整個(gè)云體都位于0℃以上區域。因而只含有水滴而沒(méi)有固態(tài)水粒子。這種云叫暖云或水云。暖云也會(huì )出現雷電現象。在中緯度區域的雷暴云,云體位于0℃等溫線(xiàn)一下的部分,就是云的暖區。在云的暖區里也有起電過(guò)程產(chǎn)生。

在雷雨云的發(fā)展過(guò)程中,上數機制在不同的發(fā)展階段分別起效果。但是,最主要的帶電機制還是因為水滴凍住造成的。大量觀(guān)測事實(shí)表明,只有當云頂呈現纖維狀,絲縷結構時(shí),云彩發(fā)展成為雷雨云。飛機觀(guān)測發(fā)現,雷雨云中存在以冰、雪晶和霰粒為主的大量云粒子,而且大量電荷的堆集即雷雨云迅猛帶電機制,必須依靠霰粒生長(cháng)過(guò)程的碰撞、撞凍和摩擦等才能產(chǎn)生。


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