【原】​利用云层的原理（通过对云层分析来理解闪电）

​利用云层的原理（通过对云层分析来理解闪电）

利用云层的原理（通过对云层分析来理解闪电）在一次正常的闪电前，云里的电荷分布是这样的：云的上部以正电荷为主，中、下部以负电荷为主，底部有少量的正电荷。当正、负电荷的量达到一定的水平时，就会引起放电，这就是我们平常所见的闪电现象。闪电可以发生在同一块云的不同部位之间，也可以发生在云与云之间、云和地之间。发生在云和地之间的闪电称为云—地闪电。由于云—地闪电与我们人类的活动和生命安全密切相关，所以对它开展的研究也最多。通过高速摄影仪器我们得知，一个完整的云—地闪电其实是由多次连续不断的放电过程组成，这些放电过程沿着同一条通道，如同海浪一样一波接一波，每两波的时间间隔仅有百分之几秒。每次放电一般包括先导和回击两个过程：先导主要是为闪电放电建立电离通道，相当于“铺路”；当先导很接近地面时，就像接通了一根导线，强大的电流以极快的速度由地面流至云层，这一个过程称为回击，约需70微秒的时间。如果云层还有足够的电量，就开始第二次的先导-回击放电过程。一次完整的云-地闪电过程持续时间约为0.2秒。

　　由于闪电是一种放电现象，所以它遵循一定的物理定律，它本身的速度受到空气电导率等很多因素的影响。有关学者通过对多个闪电精细的科学观测，发现闪电在不同的行进阶段速度有所不同，如闪电的先导过程的平均速度为150000米/秒，约为光速的1/2000，而回击过程的速度远大于先导速度，为光速的1/10~1/3，回击过程的速度为30000000米/秒～100000000米/秒

闪电的速度远低于光速，同时又远高于雷声的速度。

引起的。雷云带电原因的解释很多，但还没有获得比较满意的一致认识。一般认为雷云是在有利的大气和大地条件下，由强大的潮湿的热气流不断上升进入稀薄的大气层冷凝的结果。强烈的上升气流穿过云层，水滴被撞分裂带电。轻微的水沫带负电，被风吹得较高，形成大块得带负电的雷云；大滴水珠带正电，凝聚成雨下降，或悬浮在云中，形成一些局部带正电的区域。实测表明，在5～10km的高度主要是正电荷的云层，在1～5km的高度主要是负电荷

的云层，但在云层的底部也有一块不大区域的正电荷聚集。雷云中的电荷分布很不均匀，往往形成多个电荷密集中心。每个电荷中心的电荷约为0.1库仑～10库仑，而一大块雷云同极性的总电荷则可达数百库仑。这样，在带有大量不同极性或不同数量电荷的雷云之间，或雷云和大地之间就形成了强大的电场。随着雷云的发展和运动，一旦空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度（大气中的电场强度约为30kV/cm，有水滴存在时约为10kV/cm）时，就会发生云间或对地的火花放电；放出几十乃至几百千安的电流；产生强烈的光和热（放电通道温度高达15000℃至20000℃），使空气急剧膨胀震动，发生霹雳轰鸣。这就是闪电伴随雷鸣叫做雷电的原故。

雷雨云是对流云发展的成熟阶段,它往往是从积云发展起来的.发展完整的对流云,其生命史可以分为以下三个阶段：

形成阶段：这一阶段主要是从淡积云向浓积云发展.云的垂直尺度有较大的增长,云顶轮廓逐渐清楚,呈圆孤状或菜花形,云体耸立成塔状.这样的云我们在盛夏常常看到.在形成阶段中,云中全部为比较规则的上升气流,在云的中、上部为最大上升气流区.上升气流的垂直廓线呈抛物线型.在形成阶段,一般不会产生雷电.

成熟阶段：从浓积云发展成积雨云,就伴随雷电活动和降水,这是成熟阶段的征象.在成熟阶段,云除了有规则的上升气流外,同时也有系统性的下沉气流.上升气流通常在云的移动方向的前部.往往在云的右前侧观测到最强的上升气流.上升气流一般在云的中、上部达到最大值,可以超过25—30米／秒(见图1).

消散阶段：一阵电闪雷鸣、狂风暴雨之后,雷雨云就进入了消散阶段.这时,云中已为有规则的下沉气流所控制.云体逐渐崩溃,云上部很快演变成中、高云系,云底有时还有一些碎积云或碎层云.

图1 一块雷雨云的气流结构示意图

（二）雷雨云的微物理结构：

一块成熟的雷雨云,其顶部可以伸展到－40℃的高度(约l万米以上),而云底部的温度却在10℃以上.由于云体在垂直方向上跨过了这么宽的温度范围,因而云中水汽凝结物的相态就很不一样.在云中有水滴,过冷却水滴、雪晶、冰晶等(见图2).我们把雷雨云按温度高低来分层,便可以看：在温度高于0℃的“暖层”的云中,全部是水滴(包括云滴),在温度0至－8℃的云层中,即有较多的过冷却水滴(温度低于0℃的水滴),也有一些雪晶、冰晶；在温度低于－20℃的云层中,由于过冷却水滴自然冻结的概率大为增加,云中冰晶的天然成冰核作用更为显著,故云中基本上都是雪晶和冰晶了.在成熟阶段的雷雨云中,发生着非常复杂的微物理过程,在云的“暖层”,有水滴之间由于大小不同而发生的重力碰撞,也有湍流碰撞和电、声碰撞过程.同时,有大水滴在气流作用下发生变形,破碎而产生“连锁反应”；还有由云的“冷层”中掉到“暖层”中来的大雪花、霰等的融化等.在温度0℃至－20℃的云层中,水汽由液态往固态转移十分活跃,冰、雪晶的粘连,大冰晶破碎等也很频繁.在低于－20℃的云层中,也还有冰晶之间的粘连和大冰晶的破碎过程发生.在雷雨云中发生的所有这些微物理过程,都可以导致云中水汽凝结物电学状态的改变,对于雷雨云的起电有十分重要的贡献.

图2 一块雷雨云的微物理结构示意图

（三）雷雨云起电机理

雷雨云起电的机理目前主要有四种理论：

水滴破裂效应：云中水滴在高速气流中作激烈运动,分裂成一些带负电的较大颗粒和带正电的较小颗粒,后者同时被上升气流携带到高空,前者落在低空,这样正负两种电荷便在云层中被分离,这也就是造成90％的云层下部带负电的原因.

吸电荷效应：由于宇宙射线或其它电离作用,大气中存在正负离子,又因为空间存在电场,在电场力的作用下正负离子在云的上下层分别积累,从而使雷雨云带电,又称感应起电.

水滴冻冰效应：水滴在结冰过程中会产生电荷,冰晶带正电荷,水带负电荷,当上升气流把冰晶上的水分带走时,就会导致电荷的分离,而使雷雨云带电.

温差起电效应：实验证明在冰块中存在着正离子（H+）和负离子（OH-）,在温度发生变化时,离子发生扩散运动并相互分离.积雨云中的冰晶和雹粒在对流的碰撞和摩擦运动中会造成温度差异,并因温差起电,带电的离子又因重力和气候作用而分离扩散,最后达到一定的动态平衡.

综上所述,雷雨云起电可能是某一机理也可能是多种机理的效应而产生的.