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閃電的成因

來源:深圳市防雷協會 發布時間:2011-7-15 9:28:31
    雷暴時的大氣電場與晴天時有明顯的差異,產生這種差異的原因,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律的分布?本節將要回答這些問題。前面我們已經講過,雷雨云形成的宏觀過程以及雷雨云中發生的微物理過程,與云的起電有密切聯系??茖W家們對雷雨云的起電機制及電荷有規律的分布,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了冷端H+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,并且由于外部凍結釋放的潛熱傳到內部,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

 

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