為什么天上會出現(xiàn)閃電?

閃電的成因

雷暴時的大氣電場與晴天時有明顯的差異，產(chǎn)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(chǎn)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(guī)律的分布?本節(jié)將要回答這些問題。前面我們已經(jīng)講過，雷雨云形成的宏觀過程以及雷雨云中發(fā)生的微物理過程，與云的起電有密切聯(lián)系?？茖W家們對雷雨云的起電機制及電荷有規(guī)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(nèi)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(yōu)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(fā)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(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(jié)水滴組成的，呈白色或乳白色，結(jié)構(gòu)比較松脆。由于經(jīng)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(shù)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(nèi)就出現(xiàn)了冷端H+離子過剩的現(xiàn)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(jié)，這種水滴叫過冷水滴。過冷水滴是不穩(wěn)定的，只要它們被輕輕地震動一下，馬上就會凍結(jié)成冰粒。當過冷水滴與霰粒碰撞時，會立即凍結(jié)，這叫撞凍。當發(fā)生撞凍時，過冷水滴的外部立即凍成冰殼，但它內(nèi)部仍暫時保持著液態(tài)，并且由于外部凍結(jié)釋放的潛熱傳到內(nèi)部，其內(nèi)部液態(tài)過冷水的溫度比外面的冰殼來得高。溫度的差異使得凍結(jié)的過冷水滴外部帶正電，內(nèi)部帶負電。當內(nèi)部也發(fā)生凍結(jié)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(chǎn)生的起電機制。當云滴凍結(jié)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(jié)的部分就帶負電，而未凍結(jié)的外表面則帶正電(水滴凍結(jié)時，是從里向外進行的)。由水滴凍結(jié)而成的霰粒在下落過程中，摔掉表面還來不及凍結(jié)的水分，形成許多帶正電的小云滴，而已凍結(jié)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，而帶負電的霰粒則停留在云的中、下部。



d．暖云的電荷積累

上面講了一些冷云起電的主要機制。在熱帶地區(qū)，有一些云整個云體都位于0℃以上區(qū)域，因而只含有水滴而沒有固態(tài)水粒子。這種云叫做暖云或“水云”。暖云也會出現(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)里也有起電過程發(fā)生。



在雷雨云的發(fā)展過程中，上述各種機制在不同發(fā)展階段可能分別起作用。但是，最主要的起電機制還是由于水滴凍結(jié)造成的。大量觀測事實表明，只有當云頂呈現(xiàn)纖維狀絲縷結(jié)構(gòu)時，云才發(fā)展成雷雨云。飛機觀測也發(fā)現(xiàn)，雷雨云中存在以冰、雪晶和霰粒為主的大量云粒子，而且大量電荷的累積即雷雨云迅猛的起電機制，必須依靠霰粒生長過程中的碰撞、撞凍和摩擦等才能發(fā)生。