帶電雲層

帶電雲層

帶有大量電荷的雲層稱為帶電雲層,這種雲最常見的是雷暴、積雨雲、熱帶風暴等強對流雲團。

起電機制


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。

主要起電機制


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。