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1、第六章第六章云雾和雷雨云的荷电机制云雾和雷雨云的荷电机制问问 题题雷暴云内电荷结构如何形成？雷暴云内电荷结构如何形成？起电机制起电机制云内起电的理论有很多种，但都还云内起电的理论有很多种，但都还不能完善地解释不能完善地解释所有云荷电的实际观测结果。所有云荷电的实际观测结果。有关云起电可分为：云雾粒子起电雷雨云起电主主 要要 内内 容容1 1）雷雨云的起电的电特点）雷雨云的起电的电特点2 2）云雾粒子大气离子扩散的起电机制）云雾粒子大气离子扩散的起电机制3 3）云中云滴起电机制）云中云滴起电机制4 4）积雨云底部大雨滴破碎正电荷的起电机制）积雨云底部大雨滴破碎正电荷的起电机制5 5）积雨云的温差
2、起电机制）积雨云的温差起电机制6 6）雷雨云降水起电理论）雷雨云降水起电理论7 7）热带对流云起电机制）热带对流云起电机制1 1）雷雨云的起电的电特点）雷雨云的起电的电特点a a、云起电的一些特征、云起电的一些特征a)a)单个雷暴产生降水和闪电活动的单个雷暴产生降水和闪电活动的平均持续时间为平均持续时间为30min30minb)b)一次闪电的一次闪电的破坏电场为破坏电场为3-4kV/cm3-4kV/cm，晴空中击穿电场则，晴空中击穿电场则 很很高，达高，达30kV/cm30kV/cm。c)c)在大块积云中，电荷产生和分离在在大块积云中，电荷产生和分离在-5-5-40-40高度为界的高度为界的区
3、域中。区域中。d)d)负电荷常集中在负电荷常集中在-10-10-20 -20 高度之间高度之间，正电荷在其上数，正电荷在其上数千米处，有时在云底附近有一个次级正电荷区。千米处，有时在云底附近有一个次级正电荷区。e) e) 电荷的产生和分离过程与电荷的产生和分离过程与降水降水发展关系密切。发展关系密切。f) f) 首次闪电通常出现在雷达检测到首次闪电通常出现在雷达检测到降水质点的降水质点的20min20min后后。b b、云起电的主要要求、云起电的主要要求a)a)雷暴中起电雷暴中起电电流电流约为约为1A1A。b)b)产生大于产生大于10106 6V/mV/m的云中的云中电场电场。c)c)为产生强
4、起电或闪电，为产生强起电或闪电，云的厚度云的厚度至少必须为至少必须为3 3或或 4km4km。d)d)强对流活动和降水强对流活动和降水两者是产生闪电的必要两者是产生闪电的必要条件条件。e)e)云中温度低至只有云中温度低至只有冰相粒子存在的区域内冰相粒子存在的区域内能够产生能够产生强起电和闪电。强起电和闪电。2 2）云雾粒子大气离子扩散的起电机制）云雾粒子大气离子扩散的起电机制 对于单个云雾粒子而言，其表面大气正、负轻离子浓度为零，而离云雾粒子稍远处具有含云雾大气正负轻离子的平均浓度值。于是在离云雾离子很近的大气中，大气正、负轻离子浓度具有径向分布，从而形成大气正、负轻离子向云雾离子扩散的物理过
5、程，并使云雾离子荷电，即即为为大大气气离离子子扩扩散散起起电电机制。机制。 该理论只适用于云内的小云滴粒子起电。 荷电理论公式 由于小云滴惯性很小，其运动完全被空气带动。云滴与离子相互作用：热扩散力、静电库仑力3 3）云中云滴起电机制）云中云滴起电机制a a、湍流电碰并起电机制、湍流电碰并起电机制假定：假定：小云滴通过离子扩散获得电荷，则较大云滴通小云滴通过离子扩散获得电荷，则较大云滴通过与小云滴湍流电碰并获取电荷。过与小云滴湍流电碰并获取电荷。机制机制：荷电的小云滴与大云滴通过湍流电碰并，不仅：荷电的小云滴与大云滴通过湍流电碰并，不仅云滴半径增大，而且使大云滴荷电。云滴半径增大，而且使大云滴
6、荷电。b b、极化水滴的选择捕获起电、极化水滴的选择捕获起电（Selective Ion CaptureSelective Ion Capture）(Wilson Effect)(Wilson Effect)假定：假定：大气中存在有正、大气中存在有正、负离子，云雾水滴在电场垂负离子，云雾水滴在电场垂直向下的大气电场作用下，直向下的大气电场作用下，形成上半部带负电荷、下半形成上半部带负电荷、下半部带正电荷的极化降水粒子。部带正电荷的极化降水粒子。机制：机制：由于极化水滴的下由于极化水滴的下半部荷正电荷，所以水滴在半部荷正电荷，所以水滴在降落过程中不断选择捕获负降落过程中不断选择捕获负离子，从而中
7、和了水滴下半离子，从而中和了水滴下半部所带的正电荷，结果使降部所带的正电荷，结果使降水粒子带有净的负电荷。水粒子带有净的负电荷。c c、碰撞感应起电机制、碰撞感应起电机制 article Reboundarticle Rebound假定假定：降水粒子和云粒子在受到外电场的作用而极化。降水粒子和云粒子在受到外电场的作用而极化。机制机制: : 如果电场垂直向下，则粒子上半部极化为负电，下半如果电场垂直向下，则粒子上半部极化为负电，下半部极化为正电。当降水与云粒子接触时，降水粒子正电荷与部极化为正电。当降水与云粒子接触时，降水粒子正电荷与云粒子负电荷相交换，导致降水粒子带负电，云粒子带正电，云粒子负
8、电荷相交换，导致降水粒子带负电，云粒子带正电，通过重力分离机制，荷正电的云粒子向上运动，荷负电的降通过重力分离机制，荷正电的云粒子向上运动，荷负电的降水粒子向下运动，从而形成云中上正下负的电荷中心。水粒子向下运动，从而形成云中上正下负的电荷中心。4 4）积雨云底部大雨滴破碎正电荷的起电机制）积雨云底部大雨滴破碎正电荷的起电机制雷暴云底处集中相当数量的大雨滴，当大雨滴出现在上升气流很强的地方，且当水滴半径超过毫米时，水滴在上升气流的作用下破碎（外电场E自上向下），大雨滴上半部破碎成荷负电的小水滴，下半部破碎成荷正电的大水滴。在云中正负电荷的重力分离过程中，出现了如下图所示的分离。水滴最大荷电量水
9、滴最大荷电量与电场和半径有关与前一种类似，但液滴在破碎前，不存在感应电荷分离现象。取而代之的是电子在液滴破碎时会脱离液滴，从而使液滴带有正电荷。在重力的作用下正负电荷会发生分离现象。液液 滴滴 破破 碎碎5 5）积雨云的温差起电机制）积雨云的温差起电机制在强对流天气系统中，一方面冰晶与雹粒相互碰撞，相互摩檫增温，另一方面当水滴冻结时有潜热释放，产生温差起电机制。 冻结起电原因冻结起电原因: :（1 1）冰中有一小部分分子处于电离状态，形成较轻的）冰中有一小部分分子处于电离状态，形成较轻的H+H+和较重的羟基和较重的羟基OH-,OH-,并且其浓度随温度的升高很快增加，并且其浓度随温度的升高很快增
10、加，温度高的地方浓度大，温度低的地方浓度小。温度高的地方浓度大，温度低的地方浓度小。（2 2）H+H+的扩散系数和迁移率比的扩散系数和迁移率比OH-OH-大大1010倍以上，倍以上，冷端获冷端获得净的正电荷，而热端获得负电荷，得净的正电荷，而热端获得负电荷，冰中的体电荷生成冰中的体电荷生成阻止电荷分离的继续，最后达到平衡状态。阻止电荷分离的继续，最后达到平衡状态。 积雨云中的温差起电积雨云中的温差起电机制包括：机制包括： 云中的冰晶与雹碰云中的冰晶与雹碰撞摩擦而引起的起电，撞摩擦而引起的起电，称之称之摩擦温差起电。摩擦温差起电。 较大过冷云滴与雹较大过冷云滴与雹粒碰冻释放潜热产生粒碰冻释放潜热
11、产生冰屑温差起电机制，冰屑温差起电机制，称为称为碰冻温差起电碰冻温差起电热电效应（热电效应（Thermoelectric EffectThermoelectric Effect）不同温度的云滴接触时，粒子会产生温度梯度，温度梯度不同温度的云滴接触时，粒子会产生温度梯度，温度梯度可以引起离子梯度和电场。负电荷会传给大的粒子，正电荷可以引起离子梯度和电场。负电荷会传给大的粒子，正电荷会传给小的粒子，而由于重力原因会将这两种电荷分离开来。会传给小的粒子，而由于重力原因会将这两种电荷分离开来。冰晶荷电与温度的关系 温度的逆转当云的液态水含量减小，温度高的一端电荷当云的液态水含量减小，温度高的一端电荷符
12、号会发生温度的逆转，由正转负符号会发生温度的逆转，由正转负Workman-ReynoldsWorkman-Reynolds效应效应冻结的水溶液在冰和溶液之间形成电位差。如果冻结过程被迫中断，或液水由于碰撞被移除，将会在冰和液滴之间产生电荷差。荷电的性质依赖于离子的类型，NH4+ 使冰带正电， Cl-使冰带负电接触电位效应（接触电位效应（Contact Potential Effect Contact Potential Effect ）两个粒子表面的电位不同，如果它们碰撞，电荷会两个粒子表面的电位不同，如果它们碰撞，电荷会在两个粒子之间转移以便达到电位平衡。在两个粒子之间转移以便达到电位平衡。
13、冰粒子与淞附的冰粒子碰撞，会使淞附的冰粒子带负电，冰粒子与淞附的冰粒子碰撞，会使淞附的冰粒子带负电，而冰晶带正电。而冰晶带正电。冻滴破碎（冻滴破碎（Breakup of Freezing DropBreakup of Freezing Drop）当一个液滴被冻结，它的表面会形成冰壳，如果此时冻滴当一个液滴被冻结，它的表面会形成冰壳，如果此时冻滴破碎，其主体部分将带负电荷，冻滴碎片将带正电荷。破碎，其主体部分将带负电荷，冻滴碎片将带正电荷。霰溶化霰溶化由溶化的冰形成的云滴含有气泡，它带正电荷。由溶化的冰形成的云滴含有气泡，它带正电荷。这是由于在溶化的液水表面，当气泡会破裂，会产生这是由于在溶化的
14、液水表面，当气泡会破裂，会产生带少量负电荷的液滴，从而带走负电荷带少量负电荷的液滴，从而带走负电荷淞附增长时破碎淞附增长时破碎小水滴与淞附增长的冰粒子碰并，将会使冰粒子带负小水滴与淞附增长的冰粒子碰并，将会使冰粒子带负电，同时产生带正电的冰屑。电，同时产生带正电的冰屑。6 6）雷雨云降水起电理论）雷雨云降水起电理论n在热带雷雨云内，起电是由降水粒子引起的，云中的电荷是由于降水粒子间碰撞引起。7 7）热带对流云起电机制）热带对流云起电机制该机制假定云中电荷不是来自于水成物的起电和重力沉降，而是来自云外的大气离子和地面尖端放电产生的电晕离子，正、负电荷在垂直气流的作用下被分离在热带地区的暖性雷雨中
15、，没有冰晶化过程，Vonnegut（1955）提出了暖云对流起电模式雷暴云中的起电机制n感应起电机制感应起电机制n非感应起电机制非感应起电机制区别：大气电场是否参与起电过程区别：大气电场是否参与起电过程在外部电场的感应下，引起降水粒子的电极化，（极化强度取决于所涉及粒子的介电常数），从而出现分离的电荷中心。在晴天电场下，电场方向自上而下。在垂直电场中下落的降水粒子被极化后，上部带负电荷，下部带正电荷。同这些较大的降水粒子相碰撞后的小冰晶或小水滴就获得正电荷，随上升气流向上，从而发生了电荷的转移过程，使得云粒子带正电荷、降水粒子带负电荷。 感感 应应 起起 电电 机机 制制带负电荷的雨滴或冰粒由
16、于具有较大的重量而下降，并加强原来的电场。带负电荷的雨滴或冰粒由于具有较大的重量而下降，并加强原来的电场。大、小粒子之间电荷交换的数量随电场的增强而增加，该效应由正反馈维大、小粒子之间电荷交换的数量随电场的增强而增加，该效应由正反馈维持，正反馈使原电场增强，直至增强到水滴所携带最大电荷的极限值，并持，正反馈使原电场增强，直至增强到水滴所携带最大电荷的极限值，并伴有闪电，或者重力被电力所抵消，才使大颗粒停止下降伴有闪电，或者重力被电力所抵消，才使大颗粒停止下降雨滴破碎粒子碰撞极化水滴的选择捕获感应起电机制主要包括：感应起电机制主要包括： 非非 感感 应应 起起 电电 机机 制制粒子碰撞起电: 热
17、电效应、接触电位效应、 Workman-Reynolds效应降水物粒子破碎起电: 冻滴破碎、液滴破碎、霰溶化、淞附增长时破碎非感应起电包括：粒子碰撞起电与降水物粒子破碎起电云发展过程的起电机制云阶段：云中电场刚开始建立，起电机制主要是扩散漂浮、 对流， 如果电场已经建立，那么选择性的离子捕获也会起 作用。雨阶段：在这一阶段通过选择性的离子捕获电场被进一步 加强，云雨滴的破碎起电和粒子的碰撞起电在这一阶段 尤为重要。雹阶段：在这一阶段冻结的冰粒和雨滴相互作用明显。 对于冰粒子主要是弹性碰撞起电（很少有机会粘连或破 碎），热电效应和接触电位效应起电机制在该阶段占 主导地位。按照云的发展过程，云中的起电机制可以分为三个阶段，即：云、雨、雹阶段气溶胶对云起电的影响海上雷暴过程中，海上雷暴过程中，气溶胶浓度较低，气溶胶浓度较低，云滴可以长成较大云滴可以长成较大尺度的雨滴而降落，尺度的雨滴而降落，很少能进入冻结层。很少能进入冻结层。无闪电发生无闪电发生陆地上，气溶胶浓陆地上，气溶胶浓度较高，会形成较度较高，会形成较多的小云滴，除了多的小云滴，除了在较高的高度上冰在较高的高度上冰粒子很难形成。在粒子很难形成。在冻结层以上，雷电冻结层以上，雷电活动活跃。活动活跃。作业：作业： 试述雷暴云内正、负电荷中心试述雷暴云内正、负电荷中心是如何形成的。是如何形成的。
