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        雷電形成原因

        發布時間:2023-11-15 點擊:269

        雷電是伴有閃電和雷鳴的一種大氣中的放電現象。

        雷電產生于積雨中,積雨云在形成過程中,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,就會隨之產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。

        在任何給定時間,世界上都有1800場雷雨正在產生,每秒大約有100次雷擊。在美國,雷電每年會造成大約150人死亡和250人受傷。全世界每年有4000多人慘遭雷擊。

        產生雷電的條件是雷雨云中有堆集并形成極性?茖W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,堆集了許多材料,并提出各種各樣的解釋,有些論點至今還有爭辯。

        對流云初始階段的“離子流”假說

        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程有如下幾種:

        ① 過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℃時也不會凍住,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,就立刻凍住稱冰粒。當過冷水滴與霰粒碰撞時,會立即凍住,這叫撞凍。當產生撞凍時,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,并且因為外部凍住放的潛熱傳到內部,其內部液態過冷水的溫度比外面的冰殼高。溫度的差異使得凍住的過冷水滴外部帶上正電,內部帶上負電。當內部也產生凍住時,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

        霰粒是由凍住水滴組成的,成白色或乳白色,結構比較松脆。因為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。因為霰粒與冰晶觸摸部分存在著溫度差,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。當冰晶與霰粒觸摸后,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生起電機制。當云滴凍住時,冰的晶格中可以容納負的氯離子,卻排斥正的鈉離子。因此,水滴凍住的部分帶負電,而未凍住的部分帶正電(水滴凍住時是從里向外進行的)。因為水滴凍住而成的霰粒在下落的過程中,摔掉外表還未來得及凍住的水分,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。在中緯度區域的雷暴云,云體位于0℃等溫線一下的部分,就是云的暖區。在云的暖區里也有起電過程產生。

        在雷雨云的發展過程中,上數機制在不同的發展階段分別起效果。但是,最主要的帶電機制還是因為水滴凍住造成的。大量觀測事實表明,只有當云頂呈現纖維狀,絲縷結構時,云彩發展成為雷雨云。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,而且大量電荷的堆集即雷雨云迅猛帶電機制,必須依靠霰粒生長過程的碰撞、撞凍和摩擦等才能產生。


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