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1、第六章云雾和雷雨云的荷电机制,问 题雷暴云内电荷结构如何形成？起电机制云内起电的理论有很多种，但都还不能完善地解释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 要 内 容,1）雷雨云的起电的电特点2）云雾粒子大气离子扩散的起电机制3）云中云滴起电机制4）积雨云底部大雨滴破碎正电荷的起电机制5）积雨云的温差起电机制6）雷雨云降水起电理论7）热带对流云起电机制,1）雷雨云的起电的电特点,a、云起电的一些特征,a)单个雷暴产生降水和闪电活动的平均持续时间为30minb)一次闪电的破坏电场为3-4kV/cm，晴空中击穿电场则 很高，达30kV/cm。c)在大块积云中，电荷产
2、生和分离在-5-40高度为界的区域中。d)负电荷常集中在-10-20 高度之间，正电荷在其上数千米处，有时在云底附近有一个次级正电荷区。e)电荷的产生和分离过程与降水发展关系密切。f)首次闪电通常出现在雷达检测到降水质点的20min后。,b、云起电的主要要求,a)雷暴中起电电流约为1A。b)产生大于106V/m的云中电场。c)为产生强起电或闪电，云的厚度至少必须为3或 4km。d)强对流活动和降水两者是产生闪电的必要条件。e)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。,2）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
3、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程，并使云雾离子荷电，即为大气离子扩散起电机制。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）云中云滴起电机制,a、湍流电碰并起电机制,假定：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。机制：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。,b、极化水滴的选择捕获起电（Selective Ion Captur
4、e）(Wilson Effect),假定：大气中存在有正、负离子，云雾水滴在电场垂直向下的大气电场作用下，形成上半部带负电荷、下半部带正电荷的极化降水粒子。机制：由于极化水滴的下半部荷正电荷，所以水滴在降落过程中不断选择捕获负离子，从而中和了水滴下半部所带的正电荷，结果使降水粒子带有净的负电荷。,c、碰撞感应起电机制 article Rebound,假定：降水粒子和云粒子在受到外电场的作用而极化。机制: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，降水粒子正电荷与云粒子负电荷相交换，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，
5、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。,4）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,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 滴 破 碎,5）积雨云的温差起电机制,在强对流
6、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:（1）冰中有一小部分分子处于电离状态，形成较轻的H+和较重的羟基OH-,并且其浓度随温度的升高很快增加，温度高的地方浓度大，温度低的地方浓度小。（2）H+的扩散系数和迁移率比OH-大10倍以上，冷端获得净的正电荷，而热端获得负电荷，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。,积雨云中的温差起电机制包括：云中的冰晶与雹碰撞摩擦而引起的起电，称之摩擦温差起电。较大过冷云滴与雹粒碰冻释放潜热产生冰屑温差起电机制，称为碰冻温差起电,热电效应（Thermoelectric E
7、ffect）,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，温度高的一端电荷符号会发生温度的逆转，由正转负,Workman-Reynolds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（Contact Potential Effect）,两个粒子表面的电位不同，如果它们碰撞，电
8、荷会在两个粒子之间转移以便达到电位平衡。,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。,冻滴破碎（Breakup of Freezing Drop）,当一个液滴被冻结，它的表面会形成冰壳，如果此时冻滴破碎，其主体部分将带负电荷，冻滴碎片将带正电荷。,霰溶化,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，会产生带少量负电荷的液滴，从而带走负电荷,淞附增长时破碎,小水滴与淞附增长的冰粒子碰并，将会使冰粒子带负电，同时产生带正电的冰屑。,6）雷雨云降水起电理论,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）热
9、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，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,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,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
10、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 应 起 电 机 制,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,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：,非 感 应 起 电 机 制,粒子碰撞起电:热电效应、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
11、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，气溶胶浓度较低，云滴可以长成较大尺度的雨滴而降落，很少能进入冻结层。无闪电发生,陆地上，气溶胶浓度较高，会形成较多的小云滴，除了在较高的高度上冰粒子很难形成。在冻结层以上，雷电活动活跃。,作业：试述雷暴云内正、负电荷中心是如何形成的。,
