云的起電理論.doc

關于云的起電理論很多，但目前還沒有一種理論能夠圓滿地解釋上述的所有問題，因為大氣的運動在實驗室里是模擬不出來的。下面介紹幾種比較完善的理論。 （1）溫差起電理論 一般情況下，如果一塊物體冷熱不均，熱端帶負電，冷端帶正電。云中的冰晶、水滴、冰雹等因接觸、碰并、破碎、摩擦等作用，使得冰晶帶正電，水滴、冰雹等帶負電。冰晶的密度小于水滴，小而輕，漂浮在云的上部。（2）感應起電理論 在晴天電場的作用下，云滴被極化，使它們下半部帶正電，上半部帶負電，通過云內(nèi)的運動，產(chǎn)生上正下負兩個主要的電荷中心，兩個中心建立后，方向向下的電場得以加強，便會產(chǎn)生一個正反饋機制。（3）切割磁力線理論 北半球的云一般自西向東移動，而地球的磁力線則是由南極指向北極根據(jù)右手定則判斷，正電荷向上移動，負電荷向下運動。 （4）破碎起電理論 水滴在氣流的劇烈運動中分裂成帶負電的較大顆粒和帶正電的較小顆粒，后者被上升氣流帶到高空。 云底帶少量的正電：地面的感應或地面的尖端物體帶的正電荷被強烈的上升氣流帶入云底。雷電的形成機理是大氣物理學的一個分支。主要研究電離層以下大氣中發(fā)生的各種電現(xiàn)象和它們的產(chǎn)生與相互作用過程的規(guī)律及應用。大氣電學有兩大主要部分：晴天電學和擾動天氣電學。晴天電學主要研究晴天大氣電場、大氣電導率、地空電流和全球大氣電平衡等；擾動天氣電學主要研究雷雨云電結構和起電機制、雷與閃電過程、尖端放電過程與避雷方法等。 大氣電場 把地表面視為下極板、電離層導電層視為上極板，組成巨大球形電容兩極板中間的大氣基本不含電荷，上極板導電層含有正電荷，下極板的地表面含負電荷，這巨大電容器中間的電場稱大氣電場。規(guī)定大氣電場方向從低電位的地面朝上（與物理學靜電學規(guī)定相反）。盡管雷雨云移到某處時，雷雨云底部與相對應下墊面間的電場方向是向下的，但對全球而言，雷雨云區(qū)所占比例很?。s1%），故總體大氣電場的方向是朝上的。晴天電場常被看作正常大氣電場，其場強隨緯度增大而增強、隨離地面高度而變小，全球平均看，陸區(qū)地表面附近電場強度為120伏/米左右，海面上則約為 130伏/米。在工業(yè)區(qū)污染嚴重、氣溶膠粒子多的地方，晴天電場強度可達300400伏/ 米。晴天電場場強隨高度減弱是很強烈的，在10公里高度處的值僅為地面值的3%即約 4伏/米。晴天電場強度有日變化和年變化。陸面在地方時04-06時和12-16時出現(xiàn)極小值， 0710時和1921時為極大值；一年之中，冬季為極大值、夏季為極小值。在海面和 兩極地區(qū)，在世界時19時出現(xiàn)極大值，04時左右為極小值，這些地區(qū)大氣電場年變化不 明顯。 大氣電導率和離子遷移率大氣不僅含中性分子和原子，還含有一些離子，這些離子分為輕離子（由幾個分子 聚集在一起而帶一個正電荷或負電荷，直徑約千分之一微米）和重離子（荷電的氣溶膠 粒子，常帶一個正電荷或負電荷，比輕離子大成千上萬倍）。描述大氣離子在電場中移 動快慢的參數(shù)稱遷移率，由于大氣離子基本上都只帶一個單位電荷，所以在同樣的電場 強度的電場中，輕離子的遷移率要比重離子的大得多。例如在場強為1伏/厘米的電場中， 大氣輕離子移動速率為115厘米/秒， 而重離子的移動速率只是這個數(shù)的幾百分之一。大氣電學中，把正比于大氣離子濃度和遷移率乘積的參數(shù)稱為大氣導電率，隨 高度按指數(shù)律增加，這與大氣電場強度隨高度的變化趨勢相反。大氣導電率比銅的電導 率640000/歐姆厘米要小得多，大氣的導電性是很弱的。當用J記大氣電流密度，用E 代表大氣電場強度， 則有關系式J=E成立。其中J是不隨 高度變化的。 地空電流在晴天大氣電場作用下，大氣中的正離子向下運動、負離子向上運動，如此形成的 微弱電流稱地空電流。這電流是比較穩(wěn)恒的，不隨高度變化，把這個微弱電流與地球表 面積相乘，便得到全球地空電流的總電流強度為1800安培，如果只存在晴天地空電流， 那么在1800安培電流放電的情況下，只需要幾分鐘，便可使地表面這個巨大“電容器” 下極板的負電荷全部中和而使其電荷消失。因此，必定存在與晴天地空電流相反方向的 補償電流，把地表面的正離子輸向大氣（向地面輸入負離子），以維持晴天大氣電場基 本不變，這就是閃電電流和尖端放電電流等。 雷雨云電結構模式?jīng)]有雷雨云便沒有雷電，因此對雷雨云的探測研究是十分重要的。在20世紀30年 代以后，人類通過施放大量探測氣球，獲得了較豐富的資料，總結出最早的雷雨云電 結構模式如圖所示：存在兩個主電荷中心，云底附近另有一個次電荷中心。它們分別 是中心位于約6公里高度處，約含+24庫侖電量的正電荷中心、中心位于約3公里的、 約含20庫侖的負電荷中心、中心位于1.5公里、含有約+4庫侖電量的次電荷中心。 后來雖然也提出過許多雷雨云電結構的種種模式，對荷電中心的高度，荷電量進行 修正，甚至也有傾斜形式的電結構模式，但至今并無一致公認的比前述原始模式更合理 的模式，因而原始模式仍是當前常用的模式，它也稱雷雨云電結構的電偶極子模式。 雷雨云起電 雷雨中的電荷怎樣產(chǎn)生的？怎樣形成上、下荷電中心？由于雷雨云內(nèi)部觀測十分 困難和危險，要對上述問題作出圓滿的解答，目前還作不到。曾提出過幾種雷雨云起 電的理論，例如感應起電理論、溫差起電理論、大水滴破裂起電理論、冰的融化起電 理論等，它們都只能部分地解釋云內(nèi)電荷分布觀測事實。例如感應起電理論便這樣認 為：在晴天電場作用下，云質(zhì)粒和降水質(zhì)粒（固態(tài)或液態(tài)質(zhì)粒，比云質(zhì)粒大得多）都 被感應而極化，它們的上半部帶負電、下半部帶正電。因降水質(zhì)粒下降速度大，故常 與路途中的云粒子相碰，一部分粒子被捕獲，另一部分云粒子被彈開，但把負電荷留 下，而成為帶正電荷粒子，在云中上升氣流作用下，這樣的云粒子便聚積于云的上部， 在那里形成正電荷中心。經(jīng)碰撞后帶正電的降水質(zhì)粒重，有的掉出云去，其余便聚積 于云下部或中部，形成負電荷中心。又例如冰的融化起電理論認為：固態(tài)降水粒子（ 冰粒子）降到0層以下便融化，原來冰隙中的空氣變成氣泡并破裂，濺散走一些帶負 電的小滴粒，于是融化粒子（即水滴或冰水混合體）帶正電，在云底強上升氣流區(qū)域聚 積，形成一個帶正電的次電荷中心。 打雷和閃電 當天空中烏云密布，雷雨云迅猛發(fā)展時，突然一道奪目的閃光劃破長空，接著傳 來震耳欲聾的巨響，這就是閃電和打雷，亦稱為雷電。就雷的本質(zhì)而言，它屬于大氣 聲學現(xiàn)象，是大氣中的小區(qū)域強烈爆炸產(chǎn)生的沖擊波而形成聲波，而閃電則是大氣中 發(fā)生的火花放電現(xiàn)象。閃電通常是在雷雨云的情況出現(xiàn)，偶爾也在雷暴、雨層云、塵暴、火山爆發(fā)時出 現(xiàn)。閃電的最常見形式是線狀閃電，偶爾也可出現(xiàn)帶狀、球狀、串球狀、枝狀、箭狀 閃電等等。線狀閃電可在云內(nèi)、云與云間、云與地面間產(chǎn)生，其中云內(nèi)、云與云間閃電占大 部分，而云與地面間的閃電僅占六分之一，但其對人類危害最大。 閃電過程 肉眼看到的一次閃電，其過程是很復雜的。當雷雨云移到某處時，云的中下部是強 大負電荷中心，云底相對的下墊面變成正電荷中心，在云底與地面間形成強大電場。在 電荷越積越多，電場越來越強的情況下，云底首先出現(xiàn)大氣被強烈電離的一段氣柱，稱 梯級先導。這種電離氣柱逐級向地面延伸，每級梯級先導是直徑約5米、長50米、電流 約100安培的暗淡光柱，它以平均約150000米/秒的高速度一級一級地伸向地面，在離 地面550米左右時，地面便突然向上回擊，回擊的通道是從地面到云底，沿著上述梯 級先導開辟出的電離通道?；負粢?萬公里/秒的更高速度從地面馳向云底，發(fā)出光亮無 比的光柱，歷時40微秒，通過電流超過1萬安培，這即第一次閃擊。相隔幾秒之后，從 云中一根暗淡光柱，攜帶巨大電流，沿第一次閃擊的路徑飛馳向地面，稱直竄先導，當 它離地面550米左右時，地面再向上回擊，再形成光亮無比光柱，這即第二次閃擊。 接著又類似第二次那樣產(chǎn)生第三、四次閃擊。通常由34次閃擊構成一次閃電過程。一 次閃電過程歷時約0.25秒，在此短時間內(nèi)，窄狹的閃電通道上要釋放巨大的電能，因而 形成強烈的爆炸，產(chǎn)生沖擊波，然后形成聲波向四周傳開，這就是雷聲或說“打雷”。 全球大氣電平衡 就全球而論，晴天大氣電流、降水電流、閃電電流和尖端放電電流等四者的向上、 向下電流達到動態(tài)平衡，稱全球大氣電平衡。 據(jù)估算，全球晴天大氣電流為1800安培，方向是向下的。到達地面的降水物（雨 滴、冰雹、雪花等）有的帶正電荷，有的帶負電荷，但總體而言，降水是向地面輸送 正電荷，全球因降水而形成向下的電流是600安培。全球每秒鐘約發(fā)生100多個閃電， 其中1/51/6為云地閃電，以每次云地閃電使大氣向地表輸送20庫侖負電荷來計算，可 估計得全球因閃電造成的向上電流為400安培。人造尖端或自然尖端的放電電流，方向 是向上的，電流總數(shù)值約200安培。上述四項電流達到平衡，使之可穩(wěn)定地維持全球地 表恒定擁有巨大數(shù)量的負電荷，維持全球有恒定的大氣電場。 尖端放電與避雷針 在強電場作用下，物體曲率大的地方(如尖銳、細小的頂端，彎曲很厲害處)附近， 等電位面密，電場強度劇增，致使這里空氣被電離而產(chǎn)生氣體放電現(xiàn)象，稱為電暈放 電。而尖端放電為電暈放電的一種，專指尖端附近空氣電離而產(chǎn)生氣體放電的現(xiàn)象。當雷雨云過境時，云的中下部是強大負電荷中心，云下的下墊面是正電荷中心， 云與地面間形成強電場，記地面電位為P，則依次各等位面記為P1，P2，.。 在地面凸出物如建筑物尖頂、樹木、山頂草、林木、巖石等尖端附近，等電位面就會 很密集，這里電場強度極大，空氣發(fā)生電離，因而形成從地表向大氣的尖端放電。 避雷針是一根聳立在建筑物頂上的金屬棒(接閃器)與金屬引下線和金屬接地體等三 部分組成的防雷裝置。它的作用是使可能會襲擊建筑物的閃電吸引到它上面，再進入地 里，借以保護建筑物。關于避雷針為何能防雷的機制，尚待進一步研究。有人認為避 雷針的尖端放電，中和了雷雨云中積累的電荷，起到了消除電的作用，但近年來通過 尖端放電電量計算， 其遠不能中和所有電荷。關于大氣物理學：大氣物理學是研究發(fā)生在大氣中的物理現(xiàn)象、物理過程和它們的演變規(guī)律及應用的學科，是大氣科學的一個分支。大氣物理學作為一門獨立的學科，只有約40多年的歷史，是一門仍處在發(fā)展中的學科，它主要包括大氣聲學、大氣電學、大氣光學、大氣邊界層物理學、云霧降水物理學、大氣輻射學、高層大氣物理學、雷達氣象學、衛(wèi)星氣象學和大氣探測學等。大氣物理學與物理學、數(shù)學、電子學、天氣學、空氣污染氣象學、大氣化學等學科的關系十分密切，是天氣預報、大氣探測和人工影響天氣等工作的基礎， 它還是環(huán)境科學的一個部分。 因此通天雷神，你需要再著重研究一下大氣聲學、大氣電學、大氣邊界層物理學和云霧降水物理學。這樣有利于提高你的基礎物理學素質(zhì)。 大氣聲學是研究大氣中聲波(包括可聞聲、次聲、超聲)的產(chǎn)生機制和聲波在空氣中的傳播規(guī) 律及應用的學科，是大氣物理學的一個分支。大氣聲學的研究內(nèi)容主要包括：聲波衰 減和異常傳播現(xiàn)象、聲波反射、折射與散射等。大氣中產(chǎn)生聲波的源地稱聲源，分為 人工聲源與自然聲源。人們說話或開動機器、觸發(fā)爆炸等產(chǎn)生的聲波即為人工聲源， 而自然界的地震、閃電、海浪等發(fā)出聲波則是自然聲源。聲波分為可聞聲波、次聲與 超聲波。人耳是靈敏的聲波接收器，但由于大氣中的聲波頻率范圍很寬廣，正常人的 耳朵大約能夠聽到頻率為160000赫茲的聲波，這個頻段的聲波稱可聞聲波。低于 16赫茲的聲波稱次聲，例如地震、強風暴、飛行火箭等可發(fā)出次聲，海水中的水母能 接收次聲波。高于0000赫茲的聲波稱超聲波例如超聲探測儀、醫(yī)療儀可產(chǎn)生超聲波， 蝙蝠、獵狗、貓等能聽到某些超聲波。 大氣電學是大氣物理學的一個分支。主要研究電離層以下大氣中發(fā)生的各種電現(xiàn)象和它們的產(chǎn)生與相互作用過程的規(guī)律及應用。遠古人類對雷電現(xiàn)象充滿恐懼，18世紀中葉(1752 年6月)美國B.富蘭克林的第一次風箏探測雷電試驗以后，雷電的本質(zhì)逐漸被人類認識， 20世紀2030年代以后，人們逐步對云中起電，閃電和雷的物理特性、形成機制等進行研究產(chǎn)生了大氣電學。大氣電學有兩大主要部分：晴天電學和擾動天氣電學。（就是你上面提到的）晴天電學主要研究晴天大氣電場、大氣電導率、地空電流和全球大氣電平衡等；擾動天氣電學主要研究雷雨云電結構和起電機制、雷與閃電過程、尖端放電過程與避雷方法等。人工影響雷電在目前只處于初期探索階段，隨著大氣電學的發(fā)展和科學技術的進步， 人類最終將會實現(xiàn)人工影響和控制雷電。在當今，大氣電學對人民生活和對電力、電信、建筑、航空等部門都有重要意義。 大氣邊界層物理學也是大氣物理學的一個分支，研究大氣邊界層中發(fā)生的物理現(xiàn)象、物理過程和它們的規(guī)律及應用的學科。人類生活在大氣邊界層中，對發(fā)生在邊界層中的物理現(xiàn)象早有觀察，但只有在20世紀現(xiàn)代大工業(yè)發(fā)展起來，特別是50年代以后，大氣污染問題受到重視，才推動邊界層的研究使之逐漸成為一門獨立學科。本學科主要研究內(nèi)容包括：邊界層內(nèi)氣象要素和湍流等的時、空變化規(guī)律、湍流運動特征及其對動量、熱量和水汽等的輸送規(guī)律、湍流對污染物的擴散輸送規(guī)律、大尺度運動與邊界層的相互作用過程、地表面與邊界層相互影響的過程、發(fā)生于邊界層內(nèi)的凝結、蒸發(fā)過程和輻射傳輸過程以及邊界層厚度變化等。大氣邊界層是大氣運動動量的匯，水汽和熱量的源，對它作研究十分重要。大氣邊界層物理學對天氣預報、建筑、大氣環(huán)境保護、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事等都有重要意義。 云和降水物理學是研究云和降水的形成和演變過程的學科，是大氣物理學的一個分支、盡管早在遠古時代，人類便注意到了云和降水現(xiàn)象，但在19世紀中葉才出現(xiàn)了濕空氣塊上升凝結的熱力學