對流云初始階段的“離子流”假說
大氣中存在著大量的正離子和負(fù)離子,在云中的雨滴上,電荷分布是不均勻的,最外邊的分子帶負(fù)電,里層的帶正電,內(nèi)層比外層的電勢差約高0.25V。為了平衡這個電勢差,水滴就必須優(yōu)先吸收大氣中的負(fù)離子,這就使水滴逐漸帶上了負(fù)電荷。當(dāng)對流發(fā)展開始時,較輕的正離子逐漸被上升的氣流帶到云的上部;而帶負(fù)電的云滴因為比較重,就留在了下部,造成了正負(fù)電荷的分離。
冷云的電荷積累
當(dāng)對流發(fā)展到一定階段,云體升入0℃層以上的高度后,云中就有了過冷水滴、霰粒和冰晶等。這種由不同相態(tài)的水汽凝結(jié)物組成且溫度低于0℃的云,叫冷云。冷云的電荷形成和積累過程有如下幾種:
?、?過冷水滴在霰粒上撞凍起電
在云層中有許多水滴在溫度低于0℃時也不會凍結(jié),這種水滴叫過冷水滴。過冷水滴是不穩(wěn)定的,只要它們被輕輕地震動一下,就馬上凍結(jié)成冰粒。當(dāng)過冷水滴與霰粒碰撞時,會立即凍結(jié),這叫撞凍。當(dāng)發(fā)生撞凍時,過冷水滴外部立即凍成冰殼,但它的內(nèi)部仍暫時保持著液態(tài),并且由于外部凍結(jié)釋放的潛熱傳到內(nèi)部,其內(nèi)部液態(tài)過冷水的溫度比外面的冰殼高。溫度的差異使得凍結(jié)的過冷水滴外部帶上正電,內(nèi)部帶上負(fù)電。當(dāng)內(nèi)部也發(fā)生凍結(jié)時,云滴就膨脹分裂,外表皮破裂成許多帶正電的冰屑,隨氣流飛到云層上部,帶負(fù)電的凍滴核心部分則附在較重的霰粒上,使霰粒帶負(fù)電并留在云層的中下部。
?、?冰晶與霰粒的摩擦碰撞起電
霰粒是由凍結(jié)水滴組成的,成白色或乳白色,結(jié)構(gòu)比較松脆。由于經(jīng)常有冷水滴與它撞凍并釋放潛熱,它的溫度一般比冰晶高。在冰晶中含有一定量的自由離子(OH-和H+),離子數(shù)隨溫度升高而增多。由于霰粒與冰晶接觸部分存在著溫度差,高溫端的自由離子必然要多于低溫端,因而離子必然從高溫端向低溫端遷移。離子遷移時,帶正電的氫離子速度較快,而帶負(fù)電的較重的氫氧根離子則較慢。因此,在一定時間內(nèi)就出現(xiàn)了冷端氫離子過剩的現(xiàn)象,造成了高溫端為負(fù),低溫端為正的電極化。當(dāng)冰晶與霰粒接觸后,又分離時,溫度較高的霰粒就帶上了負(fù)電,而溫度較低的冰晶就帶上了正電。在重力和上升氣流的作用下,較輕的帶正電的冰晶集中到云的上部,較重的帶負(fù)電的霰粒則停留在云層的下部,因而造成了冷云的上部帶正電而下部帶負(fù)電。
?、?水滴因含有稀薄鹽分而起電
除了上述冷云的兩種起電機(jī)制外,還有人提出了由于大氣中水滴含有稀薄鹽分而產(chǎn)生起電機(jī)制。當(dāng)云滴凍結(jié)時,冰的晶格中可以容納負(fù)的氯離子,卻排斥正的鈉離子。因此,水滴凍結(jié)的部分帶負(fù)電,而未凍結(jié)的部分帶正電(水滴凍結(jié)時是從里向外進(jìn)行的)。由于水滴凍結(jié)而成的霰粒在下落的過程中,摔掉表面還未來得及凍結(jié)的水分,形成許多帶正電的小云滴,而凍結(jié)的核心部分則帶負(fù)電。由于重力和氣流的分選作用,帶正電的小水滴被帶到云的上部,而帶負(fù)電的霰粒則停留在云的中、下部。
暖云的電荷積累
在熱帶地區(qū),有一些云整個云體都位于0℃以上區(qū)域。因而只含有水滴而沒有固態(tài)水粒子。這種云叫暖云或水云。暖云也會出現(xiàn)雷電現(xiàn)象。在中緯度地區(qū)的雷暴云,云體位于0℃等溫線以下的部分,就是云的暖區(qū)。在云的暖區(qū)里也有起電過程發(fā)生。
在雷雨云的發(fā)展過程中,上述機(jī)制在不同的發(fā)展階段分別起作用。但是,最主要的帶電機(jī)制還是由于水滴凍結(jié)造成的。大量觀測事實表明,只有當(dāng)云頂呈現(xiàn)纖維狀絲縷結(jié)構(gòu)時,云發(fā)展成為雷雨云。飛機(jī)觀測發(fā)現(xiàn),雷雨云中存在以冰、雪晶和霰粒為主的大量云粒子,而且大量電荷的積累即雷雨云帶電機(jī)制,必須依靠霰粒生長過程的碰撞、撞凍和摩擦等才能發(fā)生。
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