Question

雷电是怎样形成的

Answer 1

雷电是怎么形成的呢？雷电是雷云和大地间或带异种电荷的雷云间的放电现象。这种迅猛的放电过程产生强烈的闪电并伴随巨大的声音。发生闪电的云被称为雷雨云，层积云、雨层云、积云、积雨云都有可能成为雷雨云，但最常见的是积雨云。
雷电是一种大气中放电现象，产生于积雨云中。积雨云在形成过程中，一部分云团带正电荷，另一部分云团带负电荷。它们对大地的静电感应，使地面或建（构）筑物表面产生异性电荷，当电荷聚集到一定程度时，不同电荷云团之间，或云与大地之间的电场强度可以击穿空气（一般为25~30KV/CM），开始游离放电，我们称之为“先导放电”。云对地的先导放电是云向地面跳跃式逐渐发展的，当到达地面时（地面上的建筑物，架空输电线等），便会产生由地面向云团的逆导主放电。在主放电阶段里，由于异性电荷的剧烈中和，会出现很大的雷电流（一般为几十KV至几百KV），并随之发生强烈的闪电和巨响，这就形成雷电。（气象学会）
云的形成过程是空气中的水蒸气由各种原因达到饱和或过饱和状态而发生凝结的过程。积雨云是一种在强烈垂直对流过程中形成的云，由于地面吸收太阳的辐射热量大于空气层，因此白天地面升温较多，特别是夏季。近地面的大气温度也跟着升高，气体随着温度的升高体积增大，开始上升，同时密度减小，压强也随着降低，就会和上方的空气层发生对流。热气流在上升过程中膨胀降压，同时与高空低温空气进行热交换，于是上升气流携带的大量水蒸气凝结成细小水滴，就形成了云，并随着高度上升进一步冷却成冰晶。在大气电场以及温差起电效应、破碎起电效应等各种机制同时作用下，进行着水滴中电荷分离的复杂过程，形成带电荷的雷云。

雷云在运动中产生分层电荷。当此雷云在天空移动时，它拖着一个相反极性电荷的阴影在地表移动，我们称其为地电荷。当地电荷到达构筑物，
雷云电荷吸引地电荷上升到构筑物最顶端，然后再跨越结构水平散布。使地面和雷云间形成强大的电场。使两种电荷保持分离的是中间空气的绝缘。当云中某处积聚的电荷密度很大，激发的电场强度达到 25-30KV/cm 时，从云分支向下进行步进式放电，称为下行先导放电。这个先导逐渐接近地面，达到一定距离时，地面物体在强电场作用下产生尖端放电，向上迎着步进先导发射电子流，成为上行先导放电。当上行先导与下行先导接通时，此离子化通道变为主雷击通道。主放电会有很大的雷电流（一般为几十千安至几百千安），并伴随强烈的闪光和雷声。这种雷云对大地的放电，常被称为直击雷。这种雷击破坏力极大，产生电效应、热效应和机械力，会造成极大的危害。

Answer 2

产生雷电的条件是雷雨云中有积累并形成极性。科学家们对雷雨云的带电机制及电荷有规律分布，进行了大量的观测和试验，积累了许多资料，并提出各种各样的解释，有些论点还有争论。
1.对流云初始阶段的“离子流”假说
大气中存在着大量的正离子和负离子，在云中的雨滴上，电荷分布是不均匀的，最外边的分子带负电，里层的带正电，内层比外层的电势差约高0.25V。为了平衡这个电势差，水滴就必须优先吸收大气中的负离子，这就使水滴逐渐带上了负电荷。当对流发展开始时，较轻的正离子逐渐的被上升的气流带到云的上部；而带负电的云滴因为比较重，就留在了下部，造成了正负电荷的分离。

2.冷云的电荷积累
当对流发展到一定阶段，云体伸入0℃层以上的高度后，云中就有了过冷水滴、霰粒和冰晶等。这种由不同相态的水汽凝结物组成且温度低于0℃的云，叫冷云。冷云的电荷形成和积累过程有如下几种：
①过冷水滴在霰粒上撞冻起电
在云层中有许多水滴在温度低于0℃时也不会冻结，这种水滴叫过冷水滴。过冷水滴是不稳定的，只要它们被轻轻地震动一下，就马上冻结称冰粒。当过冷水滴与霰粒碰撞时，会立即冻结，这叫撞冻。当发生撞冻时，过冷水滴外部立即冻成冰壳，但它的内部仍暂时保持着液态，并且由于外部冻结放的潜热传到内部，其内部液态过冷水的温度比外面的冰壳高。温度的差异使得冻结的过冷水滴外部带上正电，内部带上负电。当内部也发生冻结时，云滴就膨胀分裂，外表皮破裂成许多带正电的冰屑，随气流飞到云层上部，带负电的冻滴核心部分则附在较重的霰粒上，使霰粒带负电并留在云层的中下部。
②冰晶与霰粒的摩擦碰撞起电
霰粒是由冻结水滴组成的，成白色或乳白色，结构比较松脆。由于经常有冷水滴与它撞冻并释放潜热，它的温度一般比冰晶高。在冰晶中含有一定量的自由离子（OH-和H+），离子数随温度升高而增多。由于霰粒与冰晶接触部分存在着温度差，高温端的自由离子必然要多于低温端，因而离子必然从高温端向低温端迁移。离子迁移时，带正电的氢离子速度较快，而带负电的较重的氢氧根离子则较慢。因此，在一定时间内就出现了冷端氢离子过剩的现象，造成了高温端为负，低温端为正的电极化。当冰晶与霰粒接触后，又分离时，温度较高的霰粒就带上了负电，而温度较低的冰晶就带上了正电。在重力和上升气流的作用下，较轻的带正电的冰晶集中到云的上部，较重的带负电的霰粒则停留在云层的下部，因而造成了冷云的上部带正电而下部带负电。
③水滴因含有稀薄盐分而起电
除了上述冷云的两种起电机制外，还有人提出了由于大气中水滴含有稀薄盐分而产生起电机制。当云滴冻结时，冰的晶格中可以容纳负的氯离子，却排斥正的钠离子。因此，水滴冻结的部分带负电，而未冻结的部分带正电（水滴冻结时是从里向外进行的）。由于水滴冻结而成的霰粒在下落的过程中，摔掉表面还未来得及冻结的水分，形成许多带正电的小云滴，而冻结的核心部分则带负电。由于重力和气流的分选作用，电正点的小滴被带到云的上部，而带负电的霰粒则停留在云的中、下部。
3.暖云的电荷积累
在热带地区，有一些云整个云体都位于0℃以上区域。因而只含有水滴而没有固态水粒子。这种云叫暖云或水云。暖云也会出现雷电现象。在中纬度地区的雷暴云，云体位于0℃等温线一下的部分，就是云的暖区。在云的暖区里也有起电过程发生。
在雷雨云的发展过程中，上数机制在不同的发展阶段分别起作用。但是，最主要的带电机制还是由于水滴冻结造成的。大量观测事实表明，只有当云顶呈现纤维状，丝缕结构时，云才发展成为雷雨云。飞机观测发现，雷雨云中存在以冰、雪晶和霰粒为主的大量云粒子，而且大量电荷的积累即雷雨云迅猛带电机制，必须依靠霰粒生长过程的碰撞、撞冻和摩擦等才能发生