为什么下雨天经常打雷,雷电是如何产生的?
下雨天经常打雷,伴随着闪电和雷电,雄壮且让人感到恐惧。其实雷电是夏天经常发生的大气现象,雷电的产生主要有如下几点原因。
大气中有很多正离子和负离子,云中的雨滴中电荷分布不均匀,最外面的分子带负电荷,内层带正电,内层比外面层高出约0.25V。水滴必须优先吸收大气中的负离子,因此水滴会逐渐带有负电荷。对流发展开始后,较轻的阳离子会被逐渐上升的气流转移到云的上部。带负电荷的云滴比较重,所以留在下部分离正电荷。
冷云的电荷积累
对流发展到一定阶段,云上升到一定的高度,云中有过冷水滴、颗粒、冰晶等。由不同状态的水蒸气凝结物组成,温度低于0的这种云称为冷云。冷云的电荷形成和积累过程如下。
过冷水滴撞击颗粒,冻成电。
云中有很多温度在0以下时也不会结冰的水滴,这种水滴称为过冷水滴。过冷的水滴不稳定。轻轻振动,就会冻成冰粒。过冷水滴与颗粒碰撞时立即冻结,这称为碰撞。发生碰撞时,过冷水水滴的外部立即冻结成冰壳,但内部暂时保持液体状态,外部冻结释放的潜热会传递到内部,因此内部液体过热的温度高于外部的冰壳。由于温度的差异,冻结的过冷水滴在外部带有正电,内部带有负电。内部也结冰时,云膨胀分裂,表皮破裂成带正电的冰屑,随着气流飞到云上,带负电的冷冻液滴的核心部分附着在沉重的颗粒上,带负电荷,留在云中下方。
冰晶和颗粒的摩擦碰撞产生电
颗粒由冻结的水滴组成,呈白色或乳白色,结构比较脆。由于冷水滴经常结冰释放潜热,它的温度一般高于冰晶。冰晶中含有一定量的自由离子(OH-和H),离子数随着温度的升高而增加。颗粒与冰晶的接触部分存在温差,因此高温的自由离子必须比低温团多,所以离子必须从高温团转移到低温团。离子移动时,带正电的氢离子速度较快,带负电的比较重的氢氧根离子比较慢。因此,在一段时间内发生了冷端氢离子过剩,导致高温端为负,低温端为正的电极化。冰晶与颗粒接触后再次分离时,温度高的颗粒带有负电,温度低的冰晶带有正电。在重力和上升气流的作用下,有较轻正电的冰晶集中在云的上部,有较重负电的颗粒停留在云的下部,冷云的上部带有正电,下部带有负电。
除了上述冷云的两种机制外,大气中水滴中还含有稀薄的盐分,因此提出了机制。云结冰后,冰的晶格可以容纳负氯离子,但排斥正钠离子。因此,水滴固定的部分带有负电,不固定的部分带有正电(水滴固定的话,从里到外进行)。水滴冻结形成的颗粒在下落过程中,表面还没有冻结的水分下降,形成了很多有正电的小云滴,冻结的核心部分带有负电。在重力和气流的分离作用下,带正电的小水滴转移到云的上部,带负电的颗粒停留在云的中下部分。
暖云的电荷积累
在热带地区,整个云都在等温线以上。因此,只包括水滴,没有固体水粒子。这种云称为暖云或水云。温暖的云层也可能出现闪电现象。中纬度地区的雷云,云体在等温线下,就是云的温暖地区。云的温暖地区也发生启动过程。
在雷暴云的发展过程中,上述机制在不同的发展阶段分别发挥作用。但是最重要的电气机制是水滴冻结造成的。大量的观测事实表明,只有云顶部呈现纤维状丝结构时,云才会发展成雷暴云。飞机观测表明,雷雨云中存在以冰、设定、颗粒为主的大量云粒子,大量电荷积累,即雷雨云电机制,必须依赖颗粒生长过程中的碰撞、碰撞、摩擦等因素才能发生。
综上所诉,下雨天打雷是一种正常的自然现象,我们不需要过于担心。