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天空中為何會(huì)打雷?原因竟然在這里!

科普吉林
吉林省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)的官方科普號(hào)
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在人們通常的印象當(dāng)中

雷電天氣是春夏季節(jié)的標(biāo)配

但秋天打雷也不罕見(jiàn)

雷電是怎樣產(chǎn)生的?

產(chǎn)生雷電的條件是雷雨云中有雷擊并形成極性。科學(xué)家們對(duì)雷雨云的帶電機(jī)制及電荷有規(guī)律分布進(jìn)行了大量的觀測(cè)和試驗(yàn),積累了許多資料,并提出各種各樣的解釋,但有些論點(diǎn)至今還有爭(zhēng)論。

對(duì)流云初始階段的“離子流”假說(shuō)

大氣中存在著大量的正離子和負(fù)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(fù)電,里層的帶正電,內(nèi)層比外層的電勢(shì)差約高0.25V。為了平衡這個(gè)電勢(shì)差,水滴就必須優(yōu)先吸收大氣中的負(fù)離子,這就使水滴逐漸帶上了負(fù)電荷。當(dāng)對(duì)流發(fā)展開(kāi)始時(shí),較輕的正離子逐漸被上升的氣流帶到云的上部;而帶負(fù)電的云滴因?yàn)楸容^重,就留在了下部,造成了正負(fù)電荷的分離。

冷云的電荷積累

當(dāng)對(duì)流發(fā)展到一定階段,云體升入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(jié)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(guò)程有如下幾種:

① 過(guò)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(shí)也不會(huì)凍結(jié),這種水滴叫過(guò)冷水滴。過(guò)冷水滴是不穩(wěn)定的,只要它們被輕輕地震動(dòng)一下,就馬上凍結(jié)成冰粒。當(dāng)過(guò)冷水滴與霰粒碰撞時(shí),會(huì)立即凍結(jié),這叫撞凍。當(dāng)發(fā)生撞凍時(shí),過(guò)冷水滴外部立即凍成冰殼,但它的內(nèi)部仍暫時(shí)保持著液態(tài),并且由于外部?jī)鼋Y(jié)釋放的潛熱傳到內(nèi)部,其內(nèi)部液態(tài)過(guò)冷水的溫度比外面的冰殼高。溫度的差異使得凍結(jié)的過(guò)冷水滴外部帶上正電,內(nèi)部帶上負(fù)電。當(dāng)內(nèi)部也發(fā)生凍結(jié)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(fù)電的凍滴核心部分則附在較重的霰粒上,使霰粒帶負(fù)電并留在云層的中下部。

② 冰晶與霰粒的摩擦碰撞起電

霰粒是由凍結(jié)水滴組成的,成白色或乳白色,結(jié)構(gòu)比較松脆。由于經(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(shù)隨溫度升高而增多。由于霰粒與冰晶接觸部分存在著溫度差,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(shí),帶正電的氫離子速度較快,而帶負(fù)電的較重的氫氧根離子則較慢。因此,在一定時(shí)間內(nèi)就出現(xiàn)了冷端氫離子過(guò)剩的現(xiàn)象,造成了高溫端為負(fù),低溫端為正的電極化。當(dāng)冰晶與霰粒接觸后,又分離時(shí),溫度較高的霰粒就帶上了負(fù)電,而溫度較低的冰晶就帶上了正電。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(fù)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(fù)電。

③ 水滴因含有稀薄鹽分而起電

除了上述冷云的兩種起電機(jī)制外,還有人提出了由于大氣中水滴含有稀薄鹽分而產(chǎn)生起電機(jī)制。當(dāng)云滴凍結(jié)時(shí),冰的晶格中可以容納負(fù)的氯離子,卻排斥正的鈉離子。因此,水滴凍結(jié)的部分帶負(fù)電,而未凍結(jié)的部分帶正電(水滴凍結(jié)時(shí)是從里向外進(jìn)行的)。由于水滴凍結(jié)而成的霰粒在下落的過(guò)程中,摔掉表面還未來(lái)得及凍結(jié)的水分,形成許多帶正電的小云滴,而凍結(jié)的核心部分則帶負(fù)電。由于重力和氣流的分選作用,帶正電的小水滴被帶到云的上部,而帶負(fù)電的霰粒則停留在云的中、下部。

暖云的電荷積累

在熱帶地區(qū),有一些云整個(gè)云體都位于0℃以上區(qū)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(xiàn)雷電現(xiàn)象。在中緯度地區(qū)的雷暴云,云體位于0℃等溫線以下的部分,就是云的暖區(qū)。在云的暖區(qū)里也有起電過(guò)程發(fā)生。

在雷雨云的發(fā)展過(guò)程中,上述機(jī)制在不同的發(fā)展階段分別起作用。但是,最主要的帶電機(jī)制還是由于水滴凍結(jié)造成的。大量觀測(cè)事實(shí)表明,只有當(dāng)云頂呈現(xiàn)纖維狀絲縷結(jié)構(gòu)時(shí),云發(fā)展成為雷雨云。飛機(jī)觀測(cè)發(fā)現(xiàn),雷雨云中存在以冰、雪晶和霰粒為主的大量云粒子,而且大量電荷的積累即雷雨云帶電機(jī)制,必須依靠霰粒生長(zhǎng)過(guò)程的碰撞、撞凍和摩擦等才能發(fā)生。

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評(píng)論
科普小毛衣
庶吉士級(jí)
產(chǎn)生雷電的條件是雷雨云中有雷擊并形成極性!
2023-09-20
科普員趙鵬
太傅級(jí)
產(chǎn)生雷電的條件是雷雨云中有雷擊并形成極性??茖W(xué)家們對(duì)雷雨云的帶電機(jī)制及電荷有規(guī)律分布進(jìn)行了大量的觀測(cè)和試驗(yàn),積累了許多資料,并提出各種各樣的解釋,但有些論點(diǎn)至今還有爭(zhēng)論
2023-09-21
新風(fēng)科普????
學(xué)士級(jí)
??????
2023-09-21