雷电原理 第六章 云雾与雷暴云荷电机制.pdf

陈渭民编著 第六章 云雾和雷雨云荷电机制 云内起电机制的研究是大气电学和雷电学原理的重要问题之一，关于云内的起电理论有 几十种，但每一种理论不能完善解释所有云荷电的实际观测结果。不同种类的云，起电原因 也不同，所以至今有关云的起电分成两类：一是云雾粒子起电，二是雷雨云起电。 对于云雾粒子，云内的上升气流很弱，云内起电主要是云雾大气内的离子扩散引起和云 滴选择性吸附大气离子引起的。 对于雷雨云粒子，雷雨云内有很强的上升气流，且常有很强的降水，在积雨云内除雨滴 外，还有冰雹、霰（雪丸）和各种冰粒子等固态和液态水组成，云顶温度很低，垂直厚度大， 为云内荷电提供条件，云内起电量大。积雨云不同阶段，上升气流强度不同，云内有大的降 水粒子、小的云粒子和离子，其的分布和起的作用不同，云内起电的特征和原因也很复杂， 这与云雾粒子起电明显不同。在积雨云内，由云中粒子间相互作用起电称为微观起电，而由 云内大尺度上升气流使云不同部位荷不同极性电荷的机制称宏观起电机制。雷雨云起电主要 有感应起电理论、温差起电理论、大云滴破碎起电、对流起电等多种理论，但是这些理论难 以用实际的观测说明其正确性，大多理论是从实验室通过各种试验来说明，特别是随计算机 的发展，雷雨云起电的数值试验得到很大发展，是雷电研究的新途径。 雷电是由雷暴云带电而形成的，前面已经讲述了雷暴云的带电结构，这一章主要描述雷 电云中各部分电是如何形成的，为什么云的上部荷正电，下部荷负电，底部又带有少量的正 电荷？这一章将回答这些问题。 §6.1 雷雨云的起电的电特点 为叙述雷雨云起电机制，首先根据一些观测事实描述一下雷雨云的荷电特征。 6.1.1 云起电的一些特征 Monson(1971 年)研究了云起电的一些基本特点，得出： 1 ）对于单个雷暴产生降水和闪电活动的平均持续时间为30min ； 2 ）在一次闪电中破坏的电场强度大约是 3 ~ 4kv/cm ，晴空中击穿电场则要高得多 （30kv/cm ）； 3 ）在大块积雨云中，电荷的产生和分离发生在-5～-40℃高度为界的区域中，半径大约 有 2km ； 4 ）负电荷常常集中在-10~-20℃高度之间，正电荷在其上数千米处，有时在云底附近发 现有一个次级正电荷区，而在中尺度系统中的负的空间电荷中心位置可以略为低一些，接近 冻结高度； 5 ）电荷的产生和分离过程与降水发展关系密切，虽然空间电荷中心似乎在垂直方向和 水平方向都有与主降水核心区有偏离； 93 陈渭民编著 6 ）在雷达能检测的降水质点尺度出现后的 20min 之内，为了供应首次闪电，必须产生 并分离足够的电荷。 6.1.2 云起电假说（机制）的要求 1）发展着的云中的初始起电通常为指数增长，每两分钟左右增至e 倍。 2 ）雷暴中产生闪电的平均速率为每分钟数次，要求起电电流约为 1Ａ。 3 ）闪电放电产生约 100C·km 的偶极矩变化，电荷输送约数十库仑。雷暴的电偶极子通 常为正电荷在上，负电荷在下，但在某些云中，极性也会反转。云内放电而消失的电偶极子， 经常不同于垂直电偶极子；某些性况中，偏离 90 度之多。 4 ）起电过程能产生大于400kv/m 的云中电场。 -9 3 5 ）起电过程能够产生大于20 ×10 C cm 的空间电荷。 6 ）为产生强起电或闪电，云的厚度至少必须为3 或 4km 。 7 ）强对流活动和下落降水两者似乎是产生闪电的必要条件，但不是充分条件。然而还 观测到在电场发展和云的迅速垂直发展之间有密切联系。 8 ）降雨小至3mm/h 的云能够产生闪电。 9 ）由闪电放电频数所表示的起电强度，与当时的降水强度或以前的降水量或强度几乎 无关。 10 ）云中不存在冰相粒子时能够产生强起电。 11 ）云中温度低至只有冰相粒子存在的区域内能够产生强起电和闪电。 12 ）高度高的雷暴要比一般高度的雷暴产生的闪电频数高得多