闪电的成因

雷暴时的大气电场与晴天时有明显的差异,产生这种差异的原因,是雷雨云中有电荷的累积并形成雷雨云的极性,由此产生闪电而造成大气电场的巨大变化。但是雷雨云的电是怎么来的呢? 也就是说,雷雨云中有哪些物理过程导致了它的起电?为什么雷雨云中能够累积那么多的电荷并形成有规律的分布?本节将要回答这些问题。前面我们已经讲过,雷雨云形成的宏观过程以及雷雨云中发生的微物理过程,与云的起电有密切联系。科学家们对雷雨云的起电机制及电荷有规律的分布,进行了大量的观测和实验,积累了许多资料并提出了各种各样的解释,有些论点至今也还有争论。归纳起来,云的起电机制主要有如下几种：

A.对流云初始阶段的“离子流”假说

大气中总是存在着大量的正离子和负离子,在云中的水滴上,电荷分布是不均匀的：最外边的分子带负电,里层带正电,内层与外层的电位差约高0．25伏特。为了平衡这个电位差,水滴必须“优先’吸收大气中的负离子,这样就使水滴逐渐带上了负电荷。当对流发展开始时,较轻的正离子逐渐被上升气流带到云的上部；而带负电的云滴因为比较重,就留在下部,造成了正负电荷的分离。

B.冷云的电荷积累

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。冷云的电荷形成和积累过程有如下几种：

a. 冰晶与霰粒的摩擦碰撞起电

霰粒是由冻结水滴组成的,呈白色或乳白色,结构比较松脆。由于经常有过冷水滴与它撞冻并释放出潜热,故它的温度一般要比冰晶来得高。在冰晶中含有一定量的自由离子(OH-或OH+),离子数随温度升高而增多。由于霰粒与冰晶接触部分存在着温差,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,较轻的带正电的氢离子速度较快,而带负电的较重的氢氧离子(OH-)则较慢。因此,在一定时间内就出现了冷端H+离子过剩的现象,造成了高温端为负,低温端为正的电极化。当冰晶与霰粒接触后又分离时,温度较高的霰粒就带上负电,而温度较低的冰晶则带正电。在重力和上升气流的作用下,较轻的带正电的冰晶集中到云的上部,较重的带负电的霞粒则停留在云的下部,因而造成了冷云的上部带正电而下部带负电。

b. 过冷水滴在霰粒上撞冻起电

在云层中有许多水滴在温度低于0℃时仍不冻结,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,马上就会冻结成冰粒。当过冷水滴与霰粒碰撞时,会立即冻结,这叫撞冻。当发生撞冻时,过冷水滴的外部立即冻成冰壳,但它内部仍暂时保持着液态,并且由于外部冻结释放的潜热传到内部,其内部液态过冷水的温度比外面的冰壳来得高。温度的差异使得冻结的过冷水滴外部带正电,内部带负电。当内部也发生冻结时,云滴就膨胀分裂,外表皮破裂成许多带正电的小冰屑,随气流飞到云的上部,带负电的冻滴核心部分则附在较重的霰粒上,使霰粒带负电并停留在云的中、下部。

c. 水滴因含有稀薄的盐分而起电

除了上述冷云的两种起电机制外,还有人提出了由于大气中的水滴含有稀薄的盐分而产生的起电机制。当云滴冻结时,冰的晶格中可以容纳负的氯离子(Cl-),却排斥正的钠离子(Na+)。因此,水滴已冻结的部分就带负电,而未冻结的外表面则带正电(水滴冻结时,是从里向外进行的)。由水滴冻结而成的霰粒在下落过程中,摔掉表面还来不及冻结的水分,形成许多带正电的小云滴,而已冻结的核心部分则带负电。由于重力和气流的分选作用,带正电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。

d．暖云的电荷积累

上面讲了一些冷云起电的主要机制。在热带地区,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。这种云叫做暖云或“水云”。暖云也会出现雷电现象。在中纬度地区的雷暴云,云体位于0℃等温线以下的部分,就是云的暖区。在云的暖区里也有起电过程发生。

在雷雨云的发展过程中,上述各种机制在不同发展阶段可能分别起作用。但是,最主要的起电机制还是由于水滴冻结造成的。大量观测事实表明,只有当云顶呈现纤维状丝缕结构时,云才发展成雷雨云。飞机观测也发现,雷雨云中存在以冰、雪晶和霰粒为主的大量云粒子,而且大量电荷的累积即雷雨云迅猛的起电机制,必须依靠霰粒生长过程中的碰撞、撞冻和摩擦等才能发生。