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雷雨雲是一大團翻騰、波動的水、冰晶和空氣。當雲團里的冰晶在強烈氣流中上下翻滾時,水分會在冰晶的表面凝結成一層層冰,形成冰雹。這些被強烈氣流反覆撕扯、撞擊的冰晶和水滴充滿了靜電。其中重量較輕、帶正電的堆積在雲層上方;較重、帶負電的聚集在雲層底部。至於地面則受雲層底部大量負電的感應帶正電。當正負兩種電荷的差異極大時,就會以閃電的形式把能量釋放出來。

1形成條件

雷雨雲的形成需要一定的條件,從局地條件來看,首先,大氣的垂直層結必須是不穩定的,以便誘發對流活動的發生和發展;其次,空氣中要有足夠的水分,能夠滿足雲的生成。從天氣背景來看,應當有促發局地對流發展的天氣形勢,如冷鋒過境、正在填塞中的低壓、反氣旋後部、小波動以及高空下股冷空氣活動等。雷雨雲往往由積雲發展而來,它是對流雲發展的成熟階段。一個發展完整的對流雲,一般都有一個形成、成熟和消散的過程。
雷雨雲

  雷雨雲

不同的地方,不同的發展階段,對流雲的厚度相差十分懸殊。在中國西北高原地區,由於大氣中的水汽不充沛,對流雲發展到積雨雲階段也只有3—4公里厚;而中、高緯度的鋒面性對流雲,在發展初期其厚度即可達到5—6公里;在熱帶海洋地區,例如美國的佛羅里達,由於水汽充足,對流雲發展十分旺盛,其雲頂抵達平流層,高度可達20公里以上,其水平尺度一般約為30—40公里。在大多數情況下,雲體先在垂直方向較快增長,當雲頂達到一定的高度並比較穩定之後,才在水平方向較快地增長。
雷雨雲

  雷雨雲

雷雨雲成熟的標誌是伴有雷電活動和降水,當下沉氣流在地面形成陣風時,地面溫度開始明顯下降。一陣電閃雷鳴,狂風暴雨過後,雷雨雲就進入消散階段。在消散階段,雲中已為有規則的下沉氣流所控制。雲體逐漸崩潰,雲上部很快演變成高積雲和偽捲雲,而雲底有時還有一些碎積雲或碎層雲,它們是由降水在地面蒸發後上升凝聚而成的。
在雷雨雲的下方,大氣的電場與晴天正好反向,也就是說,此時地面帶正電荷。它是由雷雨雲感應產生的。這說明雷雨雲帶有負電荷。大量的研究證明,在雷雨雲中存在著正、負兩種電。正電荷集中在雲的上部,而負電荷集中在雲的中下部。在通常情況下,雲下部的負電荷略多於上部的正電荷。有時,在雲的底部還有一個範圍不大的帶正電荷區域,它一般處於雲的前部,這裡上升氣流有局部的極大值。

2形成過程

雷電放電是由帶電荷的雷雲引起的。雷雲帶電原因的解釋很多,但還沒有獲得比較滿意的一致認識。一般
雷雨雲

  雷雨雲

認為雷雲是在有利的大氣和大地條件下,由強大的潮濕的熱氣流不斷上升進入稀薄的大氣層冷凝的結果。強烈的上升氣流穿過雲層,水滴被撞分裂帶電。輕微的水沫帶負電,被風吹得較高,形成大塊得帶負電的雷雲;大滴水珠帶正電,凝聚成雨下降,或懸浮在雲中,形成一些局部帶正電的區域。實測表明,在5~10km的高度主要是正電荷的雲層,在1~5km的高度主要是負電荷的雲層,但在雲層的底部也有一塊不大區域的正電荷聚集。雷雲中的電荷分佈很不均勻,往往形成多個電荷密集中心。每個電荷中心的電荷約為0.1庫侖~10庫侖,而一大塊雷雲同極性的總電荷則可達數百庫侖。這樣,在帶有大量不同極性或不同數量電荷的雷雲之間,或雷雲和大地之間就形成了強大的電場。隨著雷雲的發展和運動,一旦空間電場強度超過大氣遊離放電的臨界電場強度(大氣中的電場強度約為30kV/cm,有水滴存在時約為10kV/cm)時,就會發生雲間或對地的火花放電;放出幾十乃至幾百千安的電流;產生強烈的光和熱(放電通道溫度高達15000℃至20000℃),使空氣急劇膨脹震動,發生霹靂轟鳴。這就是閃電伴隨雷鳴叫做雷電的緣故。

3宏觀結構

雷雨雲
雷雨雲是對流雲發展的成熟階段,它往往是從積雲發展起來的。發展完整的對流雲,其生命史可以分為以下三個階段:
成熟階段
從濃積雲發展成積雨雲,就伴隨雷電活動和降水,這是成熟階段的徵象。在成熟階段,雲除了有規則的上升氣流外,同時也有系統性的下沉氣流。上升氣流通常在雲的移動方向的前部。往往在雲的右前側觀測到最強的上升氣流。上升氣流一般在雲的中、上部達到最大值,濃積雲逐漸發展成積雨雲。此階段,雲中除了有規則的上升氣流外,同時也有系統性的下沉氣流。上升氣流通常在雲的移動方向的前部,氣流的最大值一般出現在雲的中上部,其速度可以達25—60米/秒,甚至更高。下沉氣流是一支從雲的中下部傾斜地穿出來的氣流,它對雷雨雲的發展成熟不單純起消極作用,還與上升氣流一起構成雲中的鉛直環流。對流雲的厚度與起水平尺度具有同一數量級。這是對流雲與其他種類雲最重要的差異之一。

消散階段

一陣電閃雷鳴、狂風暴雨之後,雷雨雲就進入了消散階段。這時,雲中已為有規則的下沉氣流所控制。雲體逐漸崩潰,雲上部很快演變成中、高雲系,雲底有時還有一些碎積雲或碎層雲。

4微物理結構

一塊成熟的雷雨雲,其頂部可以伸展到-40℃的高度(約1萬米以上),而雲底部的溫度卻在10℃以上。由於雲體在垂直方向上跨過了這麼寬的溫度範圍,因而雲中水汽凝結物的相態就很不一樣。在雲中有水滴,過冷卻水滴、雪晶、冰晶等。我們把雷雨雲按溫度高低來分層,便可以看:在溫度高於0℃的「暖層」的雲中,全部是水滴(包括雲滴),在溫度0至-8℃的雲層中,即有較多的過冷卻水滴(溫度低於0℃的水滴),也有一些雪晶、冰晶;在溫度低於-20℃的雲層中,由於過冷卻水滴自然凍結的概率大為增加,雲中冰晶的天然成冰核作用更為顯著,故云中基本上都是雪晶和冰晶了。在成熟階段的雷雨雲中,發生著非常複雜的微物理過程,在雲的「暖層」,有水滴之間由於大小不同而發生的重力碰撞,也有湍流碰撞和電、聲碰撞過程。同時,有大水滴在氣流作用下發生變形,破碎而產生「連鎖反應」;還有由雲的「冷層」中掉到「暖層」中來的大雪花、霰等的融化等。在溫度0℃至-20℃的雲層中,水汽由液態往固態轉移十分活躍,冰、雪晶的粘連,大冰晶破碎等也很頻繁。在低於-20℃的雲層中,也還有冰晶之間的粘連和大冰晶的破碎過程發生。在雷雨雲中發生的所有這些微物理過程,都可以導致雲中水汽凝結物電學狀態的改變,對於雷雨雲的起電有十分重要的貢獻。

5起電機理

雷雨雲起電的機理主要有四種理論:
水滴破裂效應:雲中水滴在高速氣流中作激烈運動,分裂成一些帶負電的較大顆粒和帶正電的較小顆粒,後者同時被上升氣流攜帶到高空,前者落在低空,這樣正負兩種電荷便在雲層中被分離,這也就是造成90%的雲層下部帶負電的原因。
吸電荷效應:由於宇宙射線或其它電離作用,大氣中存在正負離子,又因為空間存在電場,在電場力的作用下正負離子在雲的上下層分別積累,從而使雷雨雲帶電,又稱感應起電。
水滴凍冰效應:水滴在結冰過程中會產生電荷,冰晶帶正電荷,水帶負電荷,當上升氣流把冰晶上的水分帶走時,就會導致電荷的分離,而使雷雨雲帶電。
溫差起電效應:實驗證明在冰塊中存在著正離子(H+)和負離子(OH-),在溫度發生變化時,離子發生擴散運動並相互分離。積雨雲中的冰晶和雹粒在對流的碰撞和摩擦運動中會造成溫度差異,並因溫差起電,帶電的離子又因重力和氣候作用而分離擴散,最後達到一定的動態平衡。
綜上所述,雷雨雲起電可能是某一機理也可能是多種機理的效應而產生的。

6電荷

雷雨雲中的電荷,主要是雲中水滴、冰晶和霰粒(俗稱雪子)在重力和強烈上升氣流共同作用下,不斷發生碰撞摩擦而產生的.當冰晶和霰粒相碰時,短暫的摩擦作用使霰粒表面局部溫度比冰晶高,結果使霰粒表面帶上負電,冰晶帶上正電,這就是所謂的溫差效應。當冰晶與霰粒分開時,結果正負電荷也離開了。當水滴在霰粒表面凍結時,水滴裡外溫度也不一致,水滴外層溫度低先凍結呈正電性,裡面溫度高呈負電性。一旦內部水凍結時,體積迅速膨脹,外層冰殼破裂,冰屑帶著正電荷飛散出去,而留下的凍水滴上仍帶著負電荷.這樣正負電荷也發生了分離,冰屑較輕,被上升氣流帶到雲層頂部,所以雷雨雲上面帶正電荷。強烈上升的氣流也會將雲中大水滴衝破,形成許多帶負電的小水珠和帶正電的較大水珠。帶正電的較大水珠下沉直至被上升氣流支持在雲層底部的局部區域.前面所述帶負電的小水珠和霰粒等逐漸擴散到雷雨雲下部廣大區域。

7形成

雷雨雲

  雷雨雲

人們通常把發生閃電的雲稱為雷雨雲,其實有幾種雲都與閃電有關,如層積雲、雨層雲、積雲、積雨雲,最重要的則是積雨雲,一般專業書中講的雷雨雲就是指積雨雲。雲的形成過程是空氣中的水汽經由各種原因達到飽和或過飽和狀態而發生凝結的過程。使空氣中水汽達到飽和是形成雲的一個必要條件,其主要方式有:
(1)水汽含量不變,空氣降溫冷卻;
(2)溫度不變,增加水汽含量;
(3)既增加水汽含量,又降低溫度。
但對雲的形成來說,降溫過程是最主要的過程。而降溫冷卻過程中又以上升運動而引起的降溫冷卻作用最為普遍。積雨雲就是一種在強烈垂直對流過程中形成的雲。由於地面吸收太陽的輻射熱量遠大於空氣層,所以白天地面溫度升高較多,夏日這種升溫更為明顯,所以近地面的大氣的溫度由於熱傳導和熱輻射也跟著升高,氣體溫度升高必然膨脹,密度減小,壓強也隨著降低,根據力學原理它就要上升,上方的空氣層密度相對說來就較大,就要下沉。熱氣流在上升過程中膨脹降壓,同時與高空低溫空氣進行熱交換,於是上升氣團中的水汽凝結而出現霧滴,就形成了雲。在強對流過程中,雲中的霧滴進一步降溫,變成過冷水滴、冰晶或雪花,並隨高度逐漸增多。在凍結高度(-10攝氏度),由於過冷水大量凍結而釋放潛熱,使雲頂突然向上發展,達到對流層頂附近後向水平方向鋪展,形成雲砧,是積雨雲的顯著特徵。
積雨雲形成過程中,在大氣電場以及溫差起電效應、破碎起電效應的同時作用下,正負電荷分別在雲的不同部位積聚。當電荷積聚到一定程度,就會在雲與雲之間或雲與地之間發生放電,也就是人們平常所說的"閃電"。
雷電以其巨大的破壞力給人類社會帶來了慘重的災難,尤其是近幾年來,雷電災害頻繁發生,對國民經濟造成的危害日趨嚴重。我們應當加強防雷意識,與氣象部門積極合作,做好預防工作,將雷害損失降到最低限度。
雷雨雲

  雷雨雲

雷雨雲

  雷雨雲

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