雷电原理 第六章 云雾和雷暴云荷电机制

陈渭民编著 93第六章第六章 云雾和雷雨云荷电机制云雾和雷雨云荷电机制 云内起电机制的研究是大气电学和雷电学原理的重要问题之一，关于云内的起电理论有几十种，但每一种理论不能完善解释所有云荷电的实际观测结果不同种类的云，起电原因也不同，所以至今有关云的起电分成两类：一是云雾粒子起电，二是雷雨云起电 对于云雾粒子，云内的上升气流很弱，云内起电主要是云雾大气内的离子扩散引起和云滴选择性吸附大气离子引起的 对于雷雨云粒子，雷雨云内有很强的上升气流，且常有很强的降水，在积雨云内除雨滴外，还有冰雹、霰（雪丸）和各种冰粒子等固态和液态水组成，云顶温度很低，垂直厚度大，为云内荷电提供条件，云内起电量大积雨云不同阶段，上升气流强度不同，云内有大的降水粒子、小的云粒子和离子，其的分布和起的作用不同，云内起电的特征和原因也很复杂，这与云雾粒子起电明显不同在积雨云内，由云中粒子间相互作用起电称为微观起电，而由云内大尺度上升气流使云不同部位荷不同极性电荷的机制称宏观起电机制雷雨云起电主要有感应起电理论、温差起电理论、大云滴破碎起电、对流起电等多种理论，但是这些理论难以用实际的观测说明其正确性，大多理论是从实验室通过各种试验来说明，特别是随计算机的发展，雷雨云起电的数值试验得到很大发展，是雷电研究的新途径。

雷电是由雷暴云带电而形成的，前面已经讲述了雷暴云的带电结构，这一章主要描述雷电云中各部分电是如何形成的，为什么云的上部荷正电，下部荷负电，底部又带有少量的正电荷？这一章将回答这些问题 §§6.1 雷雨云的起电的电特点雷雨云的起电的电特点 为叙述雷雨云起电机制，首先根据一些观测事实描述一下雷雨云的荷电特征 6.1.1 云起电的一些特征 6.1.1 云起电的一些特征 Monson(1971 年)研究了云起电的一些基本特点，得出： 1）对于单个雷暴产生降水和闪电活动的平均持续时间为 30min； 2）在一次闪电中破坏的电场强度大约是 3 ~ 4kv/cm，晴空中击穿电场则要高得多（30kv/cm） ； 3）在大块积雨云中，电荷的产生和分离发生在-5～-40℃高度为界的区域中，半径大约有 2km； 4）负电荷常常集中在-10~-20℃高度之间，正电荷在其上数千米处，有时在云底附近发现有一个次级正电荷区，而在中尺度系统中的负的空间电荷中心位置可以略为低一些，接近冻结高度； 5）电荷的产生和分离过程与降水发展关系密切，虽然空间电荷中心似乎在垂直方向和水平方向都有与主降水核心区有偏离； 陈渭民编著 946）在雷达能检测的降水质点尺度出现后的 20min 之内，为了供应首次闪电，必须产生并分离足够的电荷。

6.1.2 云起电假说（机制）的要求 6.1.2 云起电假说（机制）的要求 1）发展着的云中的初始起电通常为指数增长，每两分钟左右增至 e 倍 2）雷暴中产生闪电的平均速率为每分钟数次，要求起电电流约为 1Ａ 3）闪电放电产生约 100C·km 的偶极矩变化，电荷输送约数十库仑雷暴的电偶极子通常为正电荷在上，负电荷在下，但在某些云中，极性也会反转云内放电而消失的电偶极子，经常不同于垂直电偶极子；某些性况中，偏离 90 度之多 4）起电过程能产生大于 400kv/m 的云中电场 5）起电过程能够产生大于 20×10-9C3cm的空间电荷 6）为产生强起电或闪电，云的厚度至少必须为 3 或 4km 7）强对流活动和下落降水两者似乎是产生闪电的必要条件，但不是充分条件然而还观测到在电场发展和云的迅速垂直发展之间有密切联系 8）降雨小至 3mm/h 的云能够产生闪电 9）由闪电放电频数所表示的起电强度，与当时的降水强度或以前的降水量或强度几乎无关 10）云中不存在冰相粒子时能够产生强起电 11）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 12）高度高的雷暴要比一般高度的雷暴产生的闪电频数高得多。

13）在云之上，强电场主要在穿透的对流单体上空观测到 14）云中电场通常要比周围晴空电场强得多，在云的边界上电场强度增大 15）除触发放电之外，闪电总是起源于云内 16）云内闪电数和云地闪数之比变化极大，某些云只产生的云闪，某些云只产生云地闪电 17）当对流和降水实际上已停止的消亡阶段，在云下方的地面上经常有强负电场，能持续十分钟或更长，有时可能伴有向下输送正电荷 6.1.3 产生闪电要求的电场强度 6.1.3 产生闪电要求的电场强度 据报导，Winn(1974)用自旋火箭探测，由电介质窗口后面两电极间的位移电流感应外电场，在一次闪电后的 1min，测得雷雨云中的最大电场强度比 4105V/m 稍强 Clark(1971)用系留气球将置于球形外罩内的电场仪放到雷雨云中，使用绝缘的绳系住，发现 4km 高度时球表面的场强达 1.3106V/m Dawson 和 Warrender(1973)在实验室于垂直风洞中悬浮直径 3.8mm 的雨滴，加了约106V/m 电压，并未引起火花放电 Dawson (1969)使处于电场中单个水滴在气压小于 650hPa 时产生电晕需最小场强为 陈渭民编著 95Epc ≈ 703P（/r0）1/2/ T (6.1) 式中 P 是大气压力，水的表面张力，r0等效雨滴半径，T 温度。

结果表明，对于液态云中放电场强至少要超过 900kV/mGriffiths 和 Latham (1974)研究冰晶始晕得出约 400-500kV/m的场强足以使雷暴中的冰开始放电 §§6.2 云雾粒子云雾粒子大气离子扩散的起电机制的起电机制 观测表明，云雾粒子初始阶段，云粒子很小，云雾粒子带有数量不大的电荷，对于云雾大气，上升运动很弱，其带电的原因不可能是强上升气流引起的，对于云雾粒子的荷电可解释为由于大气离子扩散引起的 6.2.1 基本假定 与晴天大气相同，云雾大气中亦存有大量大气正、负离子其中大气正、负轻离子的尺度小，重量轻，具有较高的离子迁移率，成为大气离子由高浓度区向低浓度区扩散的主体 6.2.2 荷电机制 如图 6.1 对于单个云雾粒子而言， 其表面处大气正、负轻离子浓度为零， 而离云雾粒子稍远处为具有云雾大气正负轻离子的平均浓度值 于是在离云雾粒子很近的大气中，大气正、负轻离子浓度具的径向分布，从而形成大气正、负轻离子向云雾粒子扩散的物理过程，并使云雾粒子荷电这种由于大气正、负轻离子扩散使云雾粒子带电的过程称为大气离子扩散起电机制 6.2.3 荷电理论公式推导 由于小云滴的惯性很小，可以认为它完全被空气所带动，云滴与离子的相互作用就只有热扩散和静电库仑力，云滴对离子的捕获满足以下方程 (6.2） 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。

6.2)式中右边第一项是由于离子分布不均匀引起离子扩散的散度，第二是由于离子受库仑力的作用使离子浓度的变化因为云滴为球形，捕获具有对称性，在球坐标中，上方程改写为 ))((122 2 nrFrrnrKrrtnk (6.3）            离子浓度小 云滴 图 6.1 大气离子扩散起电 陈渭民编著 96如果将坐标原点取在云滴中心，r是径向距离在定常情况下，由上式得出通过球面的通量为 ))((422nrFrrnrKJk (6.4） 边界条件是 Rr （R 是云滴半径） ，0n (6.5） r 0nn 容易求出(6.4)方程的解为            rrrdrrFKrKJndrrFKn)(exp1 4exp00kk(6.6） 由于0)(Rn，所以有 0)(exp1 40       rrdrrFKrKJnk(6.7） 由玻尔兹曼定理得出 (6.8） 令)(r是库仑力位势，即rdrrFr)()(，则由(6.4）得离子通量公式为     RdrkTr rnKJ)(exp140 (6.9） 以变量rRx 代入，上式又为  100 )(exp14drkTr rRnKJ(6.10） 令大气离子带电量为基本电荷e，云滴带电量为ie，则静电库仑力为22rieF ，则带i个正电荷的云滴与带i个负电荷的云滴捕获正负离子的速率分别为iJ、iJ、iJ和iJ，代入(6.2）式不难求得 iJ=1)exp(0iiJnji(6.11） iJ=)exp(10iiJ nji(6.12） iJ=)exp(10iiJnji(6.13） iJ=1)exp(0iiJ nji(6.14） 式中0J=04nRK，RkTie i2 。

上式求出的J是平均意义上的“云滴捕获离子速率” ，也就是如果云滴在t时间内平均陈渭民编著 97捕获n个离子，则有 tnJ t 0lim，或)( totJn (6.15） 实际上离子是一个一个捕获的如果t足够小，使云滴在t时间内最多只能捕获一个离子设云滴个数是cn，捕到一个离子的云滴数为 cn，则有 ccnPnn)((6.16） 式中 P 是云滴在t时间内单位离子浓度下捕获一个离子的概率，因此在t时间内每个云滴平均捕获离子数是 cc nnn =Pn (6.17） 代入（6.15）式 )( totJPntJ (6.18） 最后得概率 tjtnJP (6.19） 令不带电的云滴浓度为cn0，带 1、2、…i 个正、负电荷的云滴浓度分别是 cn1… cni和cn1 icn则由 P 的定义，利用细致平衡原理（一类分子由于某种特殊碰撞过程使其增加多少，必然有一相反的特殊碰撞过程使其同样减少多少，结果正反两过程的效果互相抵消，该类分子的数目平均上讲不变，这表示气体系统已达平衡，不仅客观上它的物理性质不变，而且从微观上看各细微变化也已达到平衡） ，就有 cn0nP0cn1nP1cn0nP0cn1nP1cn1nP1cn2nP2cn1nP1cn2nP2(6.20） ……………………… …………………… icnnPi cin) 1(nPi) 1(icnnPicin) 1(nPi) 1(……………………… …………………… 由上式可以求出云滴电荷谱为  cn1=cnnn PP 0 10   cn2=cnnn PPPP 022110   (6.21） ……………………… icn=ciiinnn PPPPPP0 21) 1(10     ……………………… 陈渭民编著 98cn1=cnnn PP 0 10    cn2=cnnn PPPP 022110     (6.22） ……………………… icn=ciiinnn PPPPPP。