关于雷雨云起电介绍

[拼音]：leiyuyun qidian

[外文]：electrification in thunderclouds

雷雨云中产生电荷并形成一定空间分布的过程，是大气电学的重要内容之一。

雷雨云中电荷分布模式最先为雷雨云的电偶极子模式：雷雨云上部为中心高度 6公里、半径2公里、含正电24库的区域，下部为中心高度3公里、半径 1公里、含负电20库的区域，云底附近有一个中心高度1.5公里、半径0.5公里、含正电 4库的区域（往往称为正电荷中心）。这是从雷雨云电场探空仪（G.C.辛普森在20世纪30～40年代利用尖端放电原理制成的）的数十次探测结果归纳出来的（见图）。随着探测技术的改进和观测资料的积累，对上述电偶极子模式提出不少修正，如各电荷中心的电量和所在高度均有改变。观测还发现，电偶极子的轴常会倾斜，某些雷雨云中电荷中心的分布还会反转过来，但在尚无更合理的模式之前，仍用电偶极子模式来代表雷雨云中的电荷分布。

根据观测结果，雷雨云中的电除上述电偶极子分布外，还有下列特征：

（1）单个雷暴的降水和电活动时间为30～40分钟。

（2）云厚至少为3～4公里才能产生强起电和闪电；发展很高的雷雨云，闪电频数要高得多；云中有冰存在的区域内能产生强起电和闪电，但无冰存在的云内偶尔也能产生强起电。

（3）强对流活动和降水两者是产生闪电的重要条件，但降水小于3毫米/时的云也能产生闪电。

（4）雷雨云中产生闪电的平均率为每分钟数次，要求的起电电流为1安，每次闪电放电大约产生100库·公里的电矩变化，相应的电荷输送量为数十库。

（5）云中电场强度平均在(2～5)×104伏/米之间，但强起电过程能产生的云中电场强度大于 4×105伏/米，空间电荷大于2×10-8库/米3。

主要的雷雨云起电理论有5种：

（1）云滴或冰晶由降水粒子上碰撞d回的荷电过程。最早由J.埃尔斯特和H.盖特尔在19世纪末提出，20世纪70年代以来，又为许多研究工作者所发展。雨滴或冰雹等降水粒子在指向朝下的大气电场（如晴天电场）作用下发生极化，造成上半部带负电、下半部带正电，所以由降水粒子下半部碰撞d回的云滴或冰晶，将带走它们下部一部分正电荷。由于降水粒子下降快，云滴和冰晶下降慢，造成重力分离，这时云的上部为云滴和冰晶（或只有一种），形成正电荷中心，云下部为降水粒子，形成负电荷中心。根据计算，发现冰晶由极化冰雹上的碰撞d回过程或云滴由极化雨滴上的碰撞d回过程，均可产生雷雨云中的起电。

（2）离子选择俘获的荷电过程。一个极化的雨滴在有离子或带电云滴的云中降落时，如果雨滴在指向朝下的电场中降落的速度大于正离子在电场中的向下运动速度，则雨滴将会排斥正离子而俘获负离子(见大气离子)，这种选择俘获过程早在20世纪20年代C.T.R.威耳孙就提出过，故称威耳孙机制。根据计算，当云中电场强度增大到一定程度后，这种选择俘获过程就不能维持。一般这一过程只能在电场强度小于10千伏/米时发生。

（3）冰的热电效应。当一块中性冰的两端维持稳定的温差时，热端将出现剩余负电荷，冷端将出现剩余正电荷，使两端有一定的电位差，这就是冰的热电效应。这由E.J.沃克曼和S.E.雷诺在20世纪40年代最先发现。故当两块温度不同的冰瞬间接触时，温度较高的一块将得到负电荷，而温度较低的一块将得到正电荷。热电效应说明了冰在温度分布不均匀情况下的电荷分离现象，它可以解释下述两种起电过程：一种是当冰雹由过冷水滴和冰晶组成的冷云中降落时的起电过程。这时冰雹与大量过冷水滴碰撞，后者释放的冻结潜热使得冰雹比冰晶温度更高些，因而冰晶与冰雹接触d回后，根据热电效应，冰雹将带负电而冰晶带正电。经过重力分离作用，云的上部为冰晶，下部为冰雹，所以云的正电中心在上部而负电中心在下部。另一种是结霜起电。考虑冰雹与过冷云滴的碰撞，这时云滴在冰雹表面上冻结(结霜现象)，形成内层暖外壳冷的温度分布。根据热电效应，冻滴外层带正电，内层带负电。由于内层冻结时的体积膨胀，使最初已冻结的外壳胀破并抛射出一些小冰屑(或小水滴)，带走正电荷，而留下的冻滴主体（冰雹）带负电。经重力分离，云的上部为小冰屑或小水滴，形成正电荷中心，下部为冰雹，形成负电荷中心。

（4）雨滴破碎起电。早在19世纪末，P.莱纳德就发现当大水滴被气流吹裂时，碎裂后的大残块带正电，小碎沫带负电。由此认为雨滴在云底附近被上升气流吹碎，使得大残块在云底附近形成次正电荷中心，而小碎沫被上升气流带上去形成负电荷中心。

（5）对流起电。为B.冯内古特在50年代所提出，他认为云的对流运动反抗电场力而起输送和聚集荷电云滴和冰晶的作用。上升气流携带云底正离子向云中运动，直至上部形成正电荷区。由于高空传导电流使大量负离子来到云的上表面并附在云滴或冰晶上（见地空电流），然后由云周围强烈的下沉气流带下来。到达云下的负电荷增强了地面电场，使地面感应，产生尖端放电，从而产生更多的正离子，这种正反馈过程最终将造成雷雨云中常见的电荷分布。

以上几种假说均能解释一部分观测事实，但都不是完善的理论。由于雷雨云内部结构和物理过程的观测十分困难，也极大地限制了雷雨云起电理论的发展。

参考书目

1. B.J.梅森著，中国科学院大气物理研究所译:《云物理学》，科学出版社，北京，1978。(B.J.Mason，The Physicsof Clouds，Oxford Univ.Press，London，1971.)
2. R.H.戈尔德编，周诗健等译：《雷电》，上卷，电力工业出版社，北京，1982。(R.H.Golde，ed.，Lightning，Vol.1，Academic Press，London，1977.)