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雷云的电结构及起电机制——浪涌保护器

人气:403发表时间:2018-06-20

    由于闪电主要来自雷云,因此人们对雷云的电结构进行了广泛的探测,其结果有如图1.15所示的一些。其中(1)是德国伊斯雷尔(H Israel)发表于(Atomasheric Electricity)第二卷,在英国伦敦附近的丘地区上空探测到的情况,而(2)和(3)两图是美国尤曼(M.A.Uman) 所(Lightrine)书中刊出的,在美国新墨西哥州和南非多雷地区上空探测到的结果。

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   以上都是20世纪50、60年代提出来的。不过,近年来出版的书刊上发表的雷云电结构图也大致与此相同,如图1.16所示。其中(1)是尤曼发表在1986年出版的《AII Ahout Lightning》一书中的,而(2)则是1990年6月美国肯尼迪航天中心(KSC)和美国国家航天局(NASA) 联合发表的一份防雷技术报告中的。
  从这些图中可以看出有四个共同点:①雷云的体电荷分布很复杂,但大致有三个电荷集中区:②最高集中区是正电荷,中区是负电荷,最低区也是正电荷,但这里电荷较少;③从地面上观测,雷云似乎是带负电的,因为负电荷中心离地面较近,而且电量也较多,云地之间的大气电场主要是由它来决定的,这样就可以理解雷暴来临时大气电场倾向的现象了;④从远离雷云的地方来观测.雷云的电性类似电偶极子。
   雷云在形成过程中是怎样产生电荷的?为什么又总是分布成三个电荷集中区?许多科学家都对此进行了探索,提出了许多假说,其中,近似正确的大致有如下四种

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  ①感应起电说:该假说认为在雷云形成时,所含降水粒子在垂直大气电场中感生出电荷。水滴下端感应出正电荷,水滴上端感应出负电荷,如图1.17所示。水滴下降时与大气中的离子相遇,异性电荷相互吸引,于是大气中的负离子容易与下降水摘相吸附,以至于水滴下端的感生正电荷被中和,这样水滴就带上端所剩下的负电荷了。而大气中的正离子被下降的水滴排斥,绕过水滴继续上升,结果便造成了雷云上部带正电、下部带负电的电荷分布状况。
  该学说大致说明了雷云起电后的电荷分布,但在精确说明雷电现象时却发现有不妥之处,故后来有所修改,即认为下降的降水粒子不一定是液态的,也可以是固态的冰晶、苞粒等,它们受到大气电场的作用面极化,上升气流的中性粒子与它们相碰时,会带走下降极化粒子下部的正电荷。经过理论计算,这样的起电机制所形成的云中正、负电荷量便与实验观测到的云中带电量接近了。
  ②温差起电说:根据实验,而且从物理上也可以说明,冰有热电效应。如图1.18所示,在冰块中同时存在着氢离子H和氢氧根离子OH,其离子依度随者温度的升高而增大。当冰块两端温度不同时,热端的离子浓度高,冷端的离子浓度低,因而会发生离子扩散现象。两种离子均会从热端跑向冷端。不过氨离子H的质量轻,扩散速度快,先到达冷端,这样导致冷端带正电同时建立起静电场,阻碍后面的组离子H继续向冷端扩散。最后达到动态平衡时,离了分布稳定下来,使冷端带有一定的正电,热端带有一定的负电,而冰块成为一个电偶极子。
  所有观测都看到雷云中有大量的冰晶、苞粒和过冷水滴存在,因此该学说认为雷云中的冰晶、霍粒在对流气流的携带下相互碰撞和摩擦,造成温度差异,从而发生热电现象。当两端在重力和气流作用下相互分式均带上了电,这样就定性地说明了雷云中正、负电荷的分别集中。由该理论可以推导出某些与实验观测值较为接近的结论。
  ③破碎起电说:1964年,马特热斯(Mathown) 和梅森(B. J. Mason)在对雷云进行探测时,拍摄到大雨滴在下降过程中的一一组照片,如图1.19所示,这些照片显示出大雨滴受到气流的作用,变得不稳定,最后变形破碎,产生许多小水滴和几个较大水滴,小水滴带负电而大水滴则带正电。
  为了解释雷云起电现象,他们注意到雨滴下降时有晴天大气电场的起始感应作用,雨滴被极化带电,因面破碎时所带电量就多得多。云中电荷增多时,大气电场强度电跟着增大,反过来又使雨滴极化时带电量增大。如此反复循环作用,使得雨滴破碎时所带的电量大大增加,由此推算出云的帶电量与实验观测值就比较接近了。
  4.冻结起电说:浓积云中上升气流虽然很强烈,使水滴相互摩擦作用很大,水滴碰撞分裂也很剧烈,然而在云中产生的电荷并不像观测到的那样多,因此该学说认为,只有当云中冷水滴与苞粒接触时,过冷水滴有了凝结核,发生相变迅速变成固态,云中电荷才会迅速增加

浓积云发展为雷云时,过冷水开始冻结,放出潜热,使凝结的冰块内部膨胀,导致外部冰壳破裂成冰屑,又由于潜热造成温差,产生热电现象,使破碎的冰屑和内部的冰核均带山电,轻而小的冰屑带正电,被气流携带着上升,使雷云上部聚集起正电,较大的冰核带负电,它们停留在原址或略有下降,所以雷云的中下部带负电。雷云中部温度在0到10摄氏度,是过冷水滴最多的区域,所以雷云中部负电荷较多,该学说较好的说明了雷云的电荷分布情况,同时与实验观测也比较接近。

  但是。真正的雷云起电机制究竟如何,要判断和检验上述各种学说也十分困难,因为不太可能到雷云中进行验证,而仅靠地面实验室所制作模拟雷电实验,还是远远不够的,雷云起电过程非常复杂,而且很可能还是综合性的,上述各种学说仅仅是从某一个侧面反映了雷云的起电机制,所以说要全面正确地认识雷云起电机制,这些学说应该是在雷云中都起了作用