第六章云雾与雷雨云荷电机制.pdf

第六章 云雾和雷雨云的荷电机制 成都信息工程学院 佘会莲 问 题 •雷暴云内电荷结构如何形成？——起电机制 •云内起电的理论有很多种，但都还不能完善地 解释所有云荷电的实际观测结果。 有关云起电可分为： Ø云雾粒子起电 Ø雷雨云起电 主要内容 1）雷雨云起电的电特点 2）云雾粒子大气离子扩散的起电机制 3）云中云滴起电机制 4）积雨云底部大雨滴破碎正电荷的起电机制 5）积雨云的温差起电机制 6）雷雨云降水起电理论 7）热带对流云起电机制 1）雷雨云的起电的电特点 a、云起电的一些特征 a)单个雷暴产生降水和闪电活动的平均持续时间为30min b)一次闪电的破坏电场为3-4kV/cm，晴空中击穿电场则 很 高，达30kV/cm。 c)在大块积云中，电荷产生和分离在-5—-40℃高度为界的 区域中。 d)负电荷常集中在-10—-20 ℃高度之间，正电荷在其上数 千米处，有时在云底附近有一个次级正电荷区。 e) 电荷的产生和分离过程与降水发展关系密切。 f) 首次闪电通常出现在雷达检测到降水质点的20min后。 b、云起电的主要要求 a)雷暴中起电电流约为1A。 6 b)产生大于10 V/m的云中电场。 c)为产生强起电或闪电，云的厚度至少必须为3或 4km。 d)强对流活动和降水两者是产生闪电的必要条件。 e)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。 2）云雾粒子大气离子扩散的起电机制 对于单个云雾粒子而言 ，其 表面大气正 、负轻离子浓度为 零 ，而离云雾粒子稍远处具有 含云雾大气正负轻离子的平均 浓度值 。于是在离云雾离子很 近的大气中 ，大气正 、负轻离 子浓度具有径向分布 ，从而形 成大气正 、负轻离子向云雾离 子扩散的物理过程 ，并使云雾 离子荷电 ，即为大气离子扩散 起电机制。 该理论只适用于云内的小云 滴粒子起电 。 荷电理论公式 由于小云滴惯性很小，其运动完全被空气带动。 云滴与离子相互作用：热扩散力、静电库仑力 热扩散力 静电库伦力 式中n ±是正负离子浓度，K ±是正负离子热扩散系数 k 是离子迁移率，F是云滴电荷产生的库仑力 球坐标系下 在定常情况下 ，通过球面的通量 边界条件 求出上面方程的解为 n 云雾粒子因大气正、负离子扩散荷电而达到稳定态时 的弛豫时间，与大气正、负离子的浓度有关，当大气 中正、负离子的浓度大时，弛豫时间越短；反之，弛 豫时间越长。一般情况下，弛豫时间为几十分钟。 n 该理论适用于解释持续时间较长的象层云、雾等层状 云的起电。当云雾粒子的关径小于1mm，理论结果与 实际观测结果较为一致。 n 而当云雾粒子较大时，理论计算结果较实际值要小， 而且当云雾粒子半径增大时，理论计算结果的偏差增 大，这说明该理论只适用云内的小云滴粒子起电，对 于大云滴粒子则由下面的湍流电碰并说明 3）云中云滴起电机制 a、湍流电碰并起电机制 假定：小云滴通过离子扩散获得电荷，则较大云滴通 过与小云滴湍流电碰并获取电荷。 机制：荷电的小云滴与大云滴通过湍流电碰并，不仅 云滴半径增大，而且使大云滴荷电。 b、极化水滴的选择捕获起电 （Selective Ion Capture）(Wilson Effect) 假定：大气中存在有正、 负离子，云雾水滴在电场 垂直向下的大气电场作用 下，形成上半部带负电荷、 下半部带正电荷的极化降 水粒子。 机制：由于极化水滴的 下半部荷正电荷，所以水 滴在降落过程中不断选择 捕获负离子，从而中和了 水滴下半部所带的正电 荷，结果使降水粒子带有 净的负电荷。 c、碰撞感应起电机制 article Rebound 假定：降水粒子和云粒子在受到外电场的作用而极化。 机制: 如果电场垂直向下，则粒子上半部极化为负电，下 半部极化为正电。当