逍遥学能 2019-01-04 12:54
在夏天，人们比较容易看到打雷，大家都知道，雷电是带电云层与带电云层之间的放电现象，或者是带电云层与地面之间的放电现象，这是非常普遍的自然现象，带电云层与地面之间的电压可以高达106~108伏特，这么高的电压往往造成建筑物、树木、电器设备的损坏和人畜的伤亡，人们很想搞清楚，雷雨云的电是怎么来的，甚至连三岁是孩子也想知道：“为什么夏天下雨会打雷而冬天不会？”对于这个常见的自然现象，许多专家解释不清楚，因此，搞清楚雷雨云的带电机理，是非常重要的。
关于雷雨云的起电原理，国外有几种解释的理论：
第一种是在19世纪末，由J.埃尔斯特和H.盖特尔在提出，他认为是雨滴或冰雹等降水粒子在指向朝下的大气电场（如晴天电场）作用下发生极化，造成上半部带负电、下半部带正电，所以由降水粒子下半部碰撞弹回的云滴或冰晶，将带走它们下部一部分正电荷。由于降水粒子下降快，云滴和冰晶下降慢,造成重力分离,这时云的上部为云滴和冰晶（或只有一种），形成正电荷中心，云下部为降水粒子，形成负电荷中心。根据计算，发现冰晶由极化冰雹上的碰撞弹回过程或云滴由极化雨滴上的碰撞弹回过程，均可产生雷雨云中的起电，20世纪70年代以来，又为许多研究工作者在这个理论有所发展。
第二种是在20世纪20年代，由C.T.R.威耳逊就提出，他认为：一个极化的雨滴在有离子或带电云滴的云中降落时，如果雨滴在指向朝下的电场中降落的速度大于正离子在电场中的向下运动速度，则雨滴将会排斥正离子而俘获负离子，这种选择俘获过程称为“离子选择俘获的荷电过程”也称为“威耳逊机制”。根据计算，当云中电场强度增大到一定程度后，这种选择俘获过程就不能维持。一般这一过程只能在电场强度小于10千伏/米时发生。
第三种是在20世纪40年代，由E.J.沃克曼和S.E.雷诺提出，他发现当一块中性冰的两端维持稳定的温差时，热端将出现剩余负电荷，冷端将出现剩余正电荷,使两端有一定的电位差,这就是“冰的热电效应”。故当两块温度不同的冰瞬间接触时，温度较高的一块将得到负电荷，而温度较低的一块将得到正电荷。热电效应说明了冰在温度分布不均匀情况下的电荷分离现象，它可以解释下述两种起电过程：一种是当冰雹由过冷水滴和冰晶组成的冷云中降落时的起电过程。这时冰雹与大量过冷水滴碰撞，后者释放的冻结潜热使得冰雹比冰晶温度更高些，因而冰晶与冰雹接触弹回后，根据热电效应,冰雹将带负电而冰晶带正电。经过重力分离作用,云的上部为冰晶，下部为冰雹，所以云的正电中心在上部而负电中心在下部。另一种是结霜起电。考虑冰雹与过冷云滴的碰撞，这时云滴在冰雹表面上冻结(结霜现象)，形成内层暖外壳冷的温度分布。根据热电效应，冻滴外层带正电,内层带负电。由于内层冻结时的体积膨胀,使最初已冻结的外壳胀破并抛射出一些小冰屑(或小水滴)，带走正电荷，而留下的冻滴主体（冰雹）带负电。经重力分离，云的上部为小冰屑或小水滴，形成正电荷中心，下部为冰雹，形成负电荷中心。
第四种是在19世纪末，P.莱纳德就发现当大水滴被气流吹裂时，碎裂后的大残块带正电，小碎沫带负电。由此认为雨滴在云底附近被上升气流吹碎，使得大残块在云底附近形成次正电荷中心，而小碎沫被上升气流带上去形成负电荷中心。
第五种是20世纪50年代，由B.冯内古特提出，他认为云的对流运动反抗电场力而起输送和聚集荷电云滴和冰晶的作用。上升气流携带云底正离子向云中运动，直至上部形成正电荷区。由于高空传导电流使大量负离子来到云的上表面并附在云滴或冰晶上（见地空电流），然后由云周围强烈的下沉气流带下来。到达云下的负电荷增强了地面电场，使地面感应，产生尖端放电，从而产生更多的正离子，这种正反馈过程最终将造成雷雨云中常见的电荷分布，这个解释也称为对流起电。
雷雨云中产生电荷并形成一定空间分布的过程，是大气电学的重要内容之一。在二十世纪中，这个学者只是翻译或者是参考国外的理论，没有中国本土的原创性解释，实际上，雷雨云带电机理并不复杂，首先，雷雨云带电与温度有关系，夏天，由于气温高，空气中的水蒸气被太阳光的辐射而电离，使得云层中存在大量的正电荷和负电荷，这些正电荷和负电荷在风力的作用下，在地磁场中沿东西方向运动时，就会受到地磁场的洛伦磁力的作用而偏离，如果风向是从东向西，正电荷就会向下运动，负电荷就会向上运动，如果风向是从西向东，正电荷的受力方向与上述相反，因此，风力越大，这种正负电荷积聚的越多，云层之间的电压也就越 高，当带正电的云团和带负电荷的云团靠近时，就会击穿空气分子，造成电子流的定向移动，电流产生的热使空气迅速膨胀爆炸，此时出现的就是闪电并伴随着雷声。
如果带电云层带的是正电荷，在靠近地面时，会吸引大量地面上的电子靠近，首先在比较高的建筑物或者是树木上积聚，因此，雷雨天在高大的建筑物或者是树木下避雨，往往造成雷击事件，如果带电云层带的是负电荷，在靠近地面时，会排斥地面上的电子远离，使比较高的建筑物或者是树木上带上了正电，因此，雷雨天在高大的建筑物或者是树木下避雨，也避免不了雷击，为了避免建筑物遭到雷电的破坏，安装合理的避雷设施的非常必要的。
各地由于地理位置的不同，带电云层的形成主要是东西走向的风力，是由于带电粒子在地磁场中作切割磁力线的运动，受到磁场力而彼此分离而形成的，是非常简单的起电道理，冬天，由于太阳辐射比较弱，在空气中不容易造成空气分子的电离，因此，即使冬天风力再大，也不会形成带电云层，所以，冬天下雨（雪）不会打雷，个别地段例外，关键要看空气中能够被电离的程度，如果电离程度高一些，也可能出现雷打冬的现象。