帶電雲層

雲的起電機制主要有如下幾種：

A.對流雲初始階段的“離子流”假說

大氣中總是存在著大量的正離子和負離子，在雲中的水滴上，電荷分佈是不均勻的：最外邊的分子帶負電，裡層帶正電，內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。當對流發展開始時，較輕的正離子逐漸被上升氣流帶到雲的上部；而帶負電的雲滴因為比較重，就留在下部，造成了正負電荷的分離。

B.冷雲的電荷積累

當對流發展到一定階段，雲體伸入0℃層以上的高度后，雲中就有了過冷水滴、霰粒和冰晶等。這種由不同相態的水汽凝結物組成且溫度低於0℃的雲，叫冷雲。冷雲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

霰粒是由凍結水滴組成的，呈白色或乳白色，結構比較鬆脆。由於經常有過冷水滴與它撞凍並釋放出潛熱，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+)，離子數隨溫度升高而增多。由於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於低溫端，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，在一定時間內就出現了冷端H+離子過剩的現象，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雲的上部，較重的帶負電的霞粒則停留在雲的下部，因而造成了冷雲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

在雲層中有許多水滴在溫度低於0℃時仍不凍結，這種水滴叫過冷水滴。過冷水滴是不穩定的，只要它們被輕輕地震動一下，馬上就會凍結成冰粒。當過冷水滴與霰粒碰撞時，會立即凍結，這叫撞凍。當發生撞凍時，過冷水滴的外部立即凍成冰殼，但它內部仍暫時保持著液態，並且由於外部凍結釋放的潛熱傳到內部，其內部液態過冷水的溫度比外面的冰殼來得高。溫度的差異使得凍結的過冷水滴外部帶正電，內部帶負電。當內部也發生凍結時，雲滴就膨脹分裂，外表皮破裂成許多帶正電的小冰屑，隨氣流飛到雲的上部，帶負電的凍滴核心部分則附在較重的霰粒上，使霰粒帶負電並停留在雲的中、下部。

c. 水滴因含有稀薄的鹽分而起電

除了上述冷雲的兩種起電機制外，還有人提出了由於大氣中的水滴含有稀薄的鹽分而產生的起電機制。當雲滴凍結時，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，水滴已凍結的部分就帶負電，而未凍結的外表面則帶正電(水滴凍結時，是從裡向外進行的)。由水滴凍結而成的霰粒在下落過程中，摔掉表面還來不及凍結的水分，形成許多帶正電的小雲滴，而已凍結的核心部分則帶負電。由於重力和氣流的分選作用，帶正電的小滴被帶到雲的上部，而帶負電的霰粒則停留在雲的中、下部。

d．暖雲的電荷積累

上面講了一些冷雲起電的主要機制。在熱帶地區，有一些雲整個雲體都位於0℃以上區域，因而只含有水滴而沒有固態水粒子。這種雲叫做暖雲或“水雲”。暖雲也會出現雷電現象。在中緯度地區的雷暴雲，雲體位於0℃等溫線以下的部分，就是雲的暖區。在雲的暖區里也有起電過程發生。

在雷雨雲的發展過程中，上述各種機制在不同發展階段可能分別起作用。但是，最主要的起電機制還是由於水滴凍結造成的。大量觀測事實表明，只有當雲頂呈現纖維狀絲縷結構時，雲才發展成雷雨雲。飛機觀測也發現，雷雨雲中存在以冰、雪晶和霰粒為主的大量雲粒子，而且大量電荷的累積即雷雨雲迅猛的起電機制，必須依靠霰粒生長過程中的碰撞、撞凍和摩擦等才能發生。