夏季雷雨的形成.doc

夏季雷雨的形成 雷電是大氣中的一種放電現(xiàn)象，放電有時(shí)發(fā)生在云層與云層之間，有時(shí)則發(fā)生在云層與大地之間，這兩種放電現(xiàn)象俗稱打雷。打雷造成危害又叫雷擊。雷擊分為直接雷擊與間接雷擊，它會(huì)破壞建筑物、電器設(shè)備，傷害人、畜。打雷放電時(shí)間極短，但電流異常強(qiáng)大。放電時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)光，就是閃電。 雷電是怎樣形成的，一直是人們長期探討的問題，特別是球形閃電的出現(xiàn)，更給閃電的出現(xiàn)增加了一層神秘的色彩。 傳統(tǒng)的觀念認(rèn)為，雷電是由大氣云層之間相互摩擦引起的放電現(xiàn)象，持這種觀念的人認(rèn)為，雷雨發(fā)生前期，由于大氣壓強(qiáng)不穩(wěn)定，高氣壓區(qū)流向低氣壓區(qū)，地面的暖濕高溫氣體上升，高空的冷空氣下降，這兩股氣流相遇便形成云和雨，由于云層之間的相互摩擦而產(chǎn)生電荷，當(dāng)電壓達(dá)到一定程度便產(chǎn)生放電現(xiàn)象，這就是雷電。持這種觀念的人現(xiàn)在已經(jīng)占據(jù)社會(huì)主流，并且已經(jīng)把這種現(xiàn)象寫入教科書。 筆者在這里提出疑問？在物理學(xué)上，兩種不同的絕緣體相互摩擦便產(chǎn)生電荷，比如玻璃棒和絲綢布、皮毛與干燥的手掌之間摩擦等等都會(huì)產(chǎn)生電荷。問題是云層之間的摩擦是同一種物質(zhì)空氣，況且它們在相互運(yùn)動(dòng)當(dāng)中以充分混合，混合在一起的東西怎么會(huì)形成電場？云與云之間的化學(xué)成分、物理特性都是一樣的，它們之間產(chǎn)生如此大的強(qiáng)電場更是不可理喻。而且它們之間的能量等級也不相符，也就是說空氣對流之間產(chǎn)生的能量，即使全部轉(zhuǎn)化為電荷能也遠(yuǎn)不及一道閃電產(chǎn)生的能量高，對于球形閃電產(chǎn)生更是無法解釋。許多人都知道，“摩擦起電”實(shí)驗(yàn)必須讓器材保持干燥，否則實(shí)驗(yàn)不會(huì)成功。在自然界中，各種摩擦起電現(xiàn)象嚴(yán)格受到濕度限制，水分子自身很難在摩擦中帶電。即使水分子能夠因摩擦帶電，因受到范圍限制，電荷也會(huì)很快中和掉，是不會(huì)聚集而產(chǎn)生雷電現(xiàn)象的。 現(xiàn)在學(xué)界普遍認(rèn)為：雷電是由于云層間相互摩擦、碰撞使不同的云層帶有不同的電，當(dāng)電壓達(dá)到一定程度后，臨近兩片云層邊發(fā)生放電現(xiàn)象。這種解釋的思想源于十八世紀(jì)前的摩擦生電理論。不過，學(xué)過流體力學(xué)的都知道，流體不是固體，它們之間不是摩擦。而且云層摩擦放電，也不應(yīng)該與大地有關(guān)，云地間的電擊電荷一直是上正下負(fù)，這種電場怎么形成的呢？無法解釋。在工業(yè)生產(chǎn)中，一些化工企業(yè)常常在生產(chǎn)之前將一些壓力容器、管道試壓吹掃，使用介質(zhì)有高壓水蒸氣、壓縮空氣 、氮?dú)獾鹊?，這些設(shè)備使用的壓力達(dá)到1-6Mpa，是自然界大氣壓差的數(shù)百倍，當(dāng)這些設(shè)備進(jìn)行泄壓吹掃時(shí)，設(shè)備里面的氣體高速噴出，聲音震耳欲聾，流速是自然風(fēng)力的數(shù)百倍，還有噴氣式飛機(jī)起飛、火箭發(fā)射等，它們噴出的氣體流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自然風(fēng)速，問題是以上這些氣體以那么高的速度沖擊空氣，并沒有引起空氣帶電現(xiàn)象的報(bào)告，更談不上放電現(xiàn)象。 以上這些說明，空氣之間的摩擦是不可能產(chǎn)生電荷的，雷雨時(shí)發(fā)生的雷電也不是空氣之間的摩擦產(chǎn)生。 既然雷電不是空氣摩擦產(chǎn)生的電荷，雷雨天的雷電又是從哪里來？這就是本文下面要探討的問題。 首先要介紹一下大氣的結(jié)構(gòu)；地球大氣是一種不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，密度大的氣體接近于地面，依次密度輕的氣體排在地球的最外層。由于大氣層對太陽光能量的吸收能力差，大部分能量被地球表面吸收 。相反大氣層最外層受太陽的熱作用極差，而熱能向宇宙空間散發(fā)快，這就導(dǎo)致了這里的氣溫極低，通常在-100以下，而這里的氣體受到宇宙射線、太陽光高能粒子的轟擊成為帶電離子，這一層學(xué)術(shù)界稱為為電離層。地面空氣受熱膨脹密度減小要上升，高空空氣向外輻射熱量溫度降低密度增大要下降， 正是由于地球大氣物理特性與太陽光的熱作用這種復(fù)雜的關(guān)系， 破壞了這種大氣的穩(wěn)定性，這就造成了大氣周期性無規(guī)則氣候變化。為了更方便的研究地球天氣的變化，我們把大氣層分為三層；第一層地面層，這里指離地面五千米以下的大氣層，因?yàn)檫@一層大氣接近地面，所以稱地面層，地面接受太陽光的能量大，同時(shí)又受大氣壓的影響，這一層的特點(diǎn)是受太陽光熱作用強(qiáng)，密度大，空氣當(dāng)中的水含量也都集中在這一區(qū)域，在夏天，這里的溫度通常在2030以上。第二層遠(yuǎn)地面層；這一層指距離地面五千米以上五十千米以下的大氣層，這一層空氣的特點(diǎn)是溫度低密度也低，空氣當(dāng)中的含水量也不大，與地面溫差在30以上，空氣密度大約是地面氣體密度的二分之一。第三層是指地球最外層-電離層，這里距離地面50千米以上，氣體密度不到地面氣體的十分之一，由于這里氣體熱量向宇宙空間的輻射量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于從太陽輻射中得到的熱量，因此這里的溫度極低，通常在-150以下，這里的氣壓也不到地球表面氣壓的十分之一，由于這里裸露在地球的最外層，受太陽光高能粒子及宇宙射線的轟擊，這里的氣體均被電離，帶上正電荷，地球物理學(xué)稱之為電離層。大氣有這樣的特點(diǎn)：溫度越高密度越小，但飽和含水量卻大，溫度越低密度越大，飽和含水量卻小。氣壓越高密度越大，氣壓越低密度越小，也就是說大氣的密度與氣壓成正比，與溫度成反比，大氣壓又與地面高度成反比，離地面越高氣壓越小,這就意味著接近地面的氣體密度大,而太陽的大部分熱能又都集中到了地球表面，加熱了地球表面的氣體。在這種復(fù)雜關(guān)系的影響下，地面氣體與上層氣體要進(jìn)行定期無規(guī)則氣體交換，這就是天氣變化。大氣的含水量；大氣的含水量的多少是天氣變化的重要組成部分之一，是氣候變化的重要組成部分，直接關(guān)系著一場降水量的大小。 大氣的飽和含水量與溫度成正比，溫度越高空氣當(dāng)中的飽和含水量越大，比如0時(shí)空氣中的飽和含水量是0.6，10時(shí)為1.2 30是 4.2、 40是7.3、80是47、100可以達(dá)到100。根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，在夏天，空氣當(dāng)中的總含水量在6左右，在地面相當(dāng)于每平方米0.6噸的水量。 真正完全氣化的水是無色透明的，它混合在空氣中，我們的肉眼看不到它，當(dāng)它出現(xiàn)飽和的時(shí)候才以霧的形式出現(xiàn)，如天上的云，而這些云在太陽光的照射下溫度升高又很快消失。由于太陽光對地球表面的熱作用，使地球大氣要進(jìn)行周期性無規(guī)則大氣循環(huán)，這就是天氣變化。首先，太陽光照射地面，加熱地面空氣膨脹和使地面水分大量蒸發(fā)，熱空氣上升，導(dǎo)致地面大氣壓下降，形成低氣壓，上升的熱空氣直接作用使冷空氣下降，下降的冷空氣由于受大氣壓的影響密度變大又形成一個(gè)高氣壓，這樣就促成一個(gè)大氣循環(huán)，如果這時(shí)的大氣變化只發(fā)生在大氣地面層，5000千米以下，則表現(xiàn)為刮風(fēng)，這種變化地面幾乎每天都會(huì)發(fā)生，它使地面氣溫變得很平和，使我們所處的環(huán)境沒有太大的冷熱變化，這種變化在一定時(shí)間里表現(xiàn)還是很穩(wěn)定，萬里無云，風(fēng)和日麗。如果沒有這種大氣變化，我們所處的環(huán)境將會(huì)變得非常惡劣，地面溫度會(huì)升的很高，甚至達(dá)到100度以上，這對生活在太陽底下所有的生命來說，無疑是一個(gè)嚴(yán)重的威脅，人們所用的日光溫室和太陽能熱水器就是鮮明的左證，正是因?yàn)榭諝獾牟粩嗔鲃?dòng)，將地面上的大部分熱量帶入空中，使地面上的溫度沒有太大的變化，從而保持了一個(gè)良好的自然環(huán)境。當(dāng)高空地面同時(shí)達(dá)到一定溫度時(shí)，將促使一個(gè)更大的大氣循環(huán)，熱空氣上升，冷空氣下降，冷熱空氣相遇使空氣當(dāng)中的水分大量析出，形成云雨天氣。這時(shí)的大氣循環(huán)是地面大氣與更高空大氣的熱能交換，高空中的空氣由于溫度低密度小，在向下運(yùn)動(dòng)過程中受大氣壓的影響密度加大，因此，這些冷空氣可直達(dá)地面，使地面溫度驟然降低。熱空氣受冷空氣影響溫度降低，空氣當(dāng)中的水分出現(xiàn)飽和，形成云，溫度繼續(xù)降低水分析出形成雨。如果這時(shí)候是在炎熱的夏季，這種強(qiáng)對流天氣的運(yùn)動(dòng)則更加強(qiáng)烈，向下運(yùn)動(dòng)的冷空氣可形成下龍卷風(fēng)，它的行程可以達(dá)到幾十千米，下龍卷風(fēng)虹吸進(jìn)大量的高空（50千米以上的電離層）帶電離子，由于這種冷空氣絕緣性非常好，帶電離子與其混合沒有任何變化，只是在離地面2000千米左右的高空與濕熱空氣相遇，發(fā)生放電反應(yīng)，這就是雷電。 水是導(dǎo)體，空氣是絕緣體，空氣與水的混合物變成了半導(dǎo)體，因此，云層便成了高空中下降帶電離子轟擊的首選目標(biāo)，下降的帶電離子也可以穿過云層直達(dá)地面，直接對大地放電，這就是地面雷。 有時(shí)這種帶電離子的某一部分被集中帶入到地下，而產(chǎn)生緩慢的放電現(xiàn)象，形成火球，當(dāng)遇到地面接地導(dǎo)電物體時(shí)，瞬時(shí)放電，發(fā)生爆炸，這就是球形閃電的形成原理。 球形閃電實(shí)際上就是被下龍卷風(fēng)吸進(jìn)的電離層高純度帶電離子，電離層被虹吸進(jìn)的大部分帶電離子與其它冷空氣混合，遇到云層時(shí)與云層放電，只有極少數(shù)高純度帶電離子達(dá)到地面，與空氣形成緩慢的放電現(xiàn)象，形成火球，并能維持?jǐn)?shù)秒到幾十秒鐘，這就是整個(gè)球形閃電的形成過程。 一道閃電的長度短的有幾百米，長的有幾公里，連綿彎曲成凸凹形狀，產(chǎn)生這種形狀，是因?yàn)橄陆档膸щ婋x子與云層的接觸面所決定，接觸面越長閃電長度越長，反之則越短，閃電長度實(shí)際上與所形成的電壓無關(guān)。 一場雷暴發(fā)生前，首先是熱空氣上升，熱空氣上升導(dǎo)致高空中冷空氣下降，下降的冷空氣與地面上升的暖濕氣流相遇，產(chǎn)生第一片云，由于高空冷空氣受大氣壓的影響密度增大運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，云層進(jìn)一步擴(kuò)大，向下運(yùn)動(dòng)的冷空氣形成下龍卷風(fēng)，并虹吸進(jìn)大量電離層帶電離子，帶電離子與云層接觸并混合，這種混合物中帶電離子的濃度，隨著高度增加密度增大，密度大的區(qū)域要比密度小的區(qū)域?qū)υ茖铀纬傻碾妷阂?，因此，雷電放電的起始端總是在云層的上端，依次向下并出現(xiàn)許多小分支，這就是第一道雷電的形成。第一道閃電永遠(yuǎn)是地上雷，而不是地面雷，這是由于雷雨形成的次序所決定，只有雷電發(fā)生的頻率達(dá)到一定程度時(shí)，才出現(xiàn)地面雷，當(dāng)然，這也與下龍卷風(fēng)的沖擊強(qiáng)度有關(guān)。 同時(shí)，由于這種高空冷空氣溫度極低，在與上升的暖濕空氣相遇時(shí),使空氣當(dāng)中的水分析出并結(jié)冰，這就是冰雹的形成過程。一場大的冰雹天氣，必定伴隨著大量的電閃雷鳴，其原因正是因?yàn)橄慢埦盹L(fēng)卷進(jìn)大量的高空帶電離子，與天空中的云層發(fā)生放電現(xiàn)象,總地來說，一場強(qiáng)降雨正是由于電離層及高空冷空氣的大量介入，氣溫降低，使空氣當(dāng)中的水分大量析出，形成強(qiáng)降雨。以往人們認(rèn)為冰雹的形成是因?yàn)闊峥諝馍仙隼湫纬尚∷危∷伪簧仙臒峥諝獯灯鹕仙龅礁涞目諝舛纬?，這種觀念太過單一，雷雨天氣變化不再是單純的上下層冷熱空氣運(yùn)動(dòng)變化，而是整個(gè)大氣層的運(yùn)動(dòng)變化，地面刮起的風(fēng)只是這種運(yùn)動(dòng)變化的一小部分，更激烈的運(yùn)動(dòng)則發(fā)生在空中，只不過天上的空氣太過純凈人們的眼睛看不見罷了。這種空氣對流的最后結(jié)果是上層空氣溫度升高，下層空氣溫度降低。當(dāng)大氣中的密度、溫度、氣壓達(dá)到一個(gè)新的平衡點(diǎn)時(shí)，這種運(yùn)動(dòng)宣告結(jié)束。上層空氣的熱量需要一段的時(shí)間向太空輻射，下層的空氣也需要一定的時(shí)間來完成溫度上升的過程。 因此，它需要間歇一段時(shí)間。這里需要介紹的是什么是下龍卷風(fēng)，下龍卷風(fēng)和上龍卷風(fēng)的形成原理是一樣的，都是過經(jīng)強(qiáng)氣流引起氣旋生成的，只不過它們所處的位置正好相反，上龍卷風(fēng)發(fā)生在地面，風(fēng)向向上運(yùn)動(dòng)，它刮起地面許多塵埃，雜質(zhì)，我們的眼睛可以清楚看得到認(rèn)得出那是龍卷風(fēng)，假如說沒有這些雜質(zhì)，我們就很難發(fā)現(xiàn)龍卷風(fēng)。下龍卷風(fēng)則不同，它的風(fēng)向是向下運(yùn)動(dòng)，發(fā)生在離地面5000米以上的大氣層，是由下降強(qiáng)冷空氣作用所形成，由于高空中都是無色透明氣體，所以我們的眼睛看不到它，就是現(xiàn)在最先進(jìn)的儀器也發(fā)現(xiàn)不了它，但這并不能說明它不存在，它的直接作用就是雷雨天氣。下龍卷風(fēng)的威力有多大，目前還是未知數(shù)，對于它的研究更是捕風(fēng)捉影，但是它所引發(fā)的結(jié)果在地面影響卻是巨大的，由于它在高空攜帶大量冷空氣， 可直接引發(fā)一場強(qiáng)降雨、冰雹，從高空電離層中吸入大量帶電離子，使近地面產(chǎn)生大量的雷電，甚至出現(xiàn)球形閃電，可使地面溫度驟然降低等。 有些人認(rèn)為下雨溫度降低，是由于雨水蒸發(fā)帶走地面大量熱量，其實(shí)這只是一個(gè)錯(cuò)覺，溫度降低是由于高空中大量的冷空氣介入而引起，當(dāng)然也包括空氣當(dāng)中的水分析出（雨的形成），雨實(shí)際上也是這種冷空氣的受害者。這里再次提醒人們，一場強(qiáng)雷雨的過程，不是單純的熱空氣上升遇冷的過程，而是整個(gè)上下大氣層運(yùn)動(dòng)變化的結(jié)果，因?yàn)樘焐系脑剖怯行斡猩?，人們觀察到只是云的運(yùn)動(dòng)變化，云層以上的空氣是無形無色，而發(fā)生在云層以上的運(yùn)動(dòng)變化卻沒有了解，這恐怕就連天上的衛(wèi)星也束手無策。夏天雷雨云為什么總在1千米左右的位置下雨？ 這是個(gè)值得研究的新課題，大家知道，云和霧是一樣的，都是由于溫度低空氣當(dāng)中的水含量飽和引起，大量微小水滴飄逸在空氣中，就形成了云和霧的天氣。水有這樣的物理特性，在4時(shí)密度最大，1000千克/立方米，這是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值，在4這個(gè)溫度上無論溫度升高還是降低，水的密度都會(huì)減小。這一特性同樣也適合空氣當(dāng)中的水含量，溫度在4時(shí)飽和水含量最低，在這個(gè)溫度上無論是升高還是降低，空氣當(dāng)中的水含量都增大，因此，云或霧出現(xiàn)的最佳溫度是4左右，當(dāng)天空上出現(xiàn)一片云或地面上有霧時(shí)，也可以簡單判斷它所在溫度為4左右。在夏天，當(dāng)雷雨出現(xiàn)時(shí)，地面仍然散發(fā)著大量的熱量，溫度仍在20以上，這一溫度空氣中的含水量還未達(dá)到飽和，地面上就不會(huì)有水汽的形成。恰恰在1千米以上的高空，由于受冷空氣的影響，這里的氣溫已下降到10以下，空氣中水的含量已達(dá)飽和，并有過量的水分析出，這就是雷雨云為什么總在距離地面1千米左右位置下雨的原因。只有在立冬以后，地面溫度下降的4左右時(shí)，才可以出現(xiàn)大霧天氣。雷陣雨最大的特點(diǎn)；面積小、出現(xiàn)快消失快、雨量密度大集中。又有問題出現(xiàn)了，要知道，一架承載幾頓重的飛機(jī)需要配備強(qiáng)大的動(dòng)力才可以使飛機(jī)飛上天，一片看似不大的雨云是如何承載拖動(dòng)上百萬噸雨水運(yùn)動(dòng)的？它有如此大的浮力嗎？首先確定，雨云并沒有拖動(dòng)上百萬噸的雨水前進(jìn)，它并沒有能力來運(yùn)輸這些雨水，雨云運(yùn)輸雨水也只是一個(gè)假象，就好像放電影一樣，連續(xù)的畫面很容易讓人產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的效果。在雷雨發(fā)生前，空氣是無色透明的，它里面含有多