雷电原理

积状云如何发展成积雨云？
整体运动是不可能的，除非有些特殊点 首先产生扰动，有序运动就很快形成。产生 大气对流。在热气流上升时必然伴随发生两 种物理过程，第一种是膨胀，因为高空的气 压低，上升气团就要膨胀降压。第二种是降 温，这是气体状态方程所决定的，同时也由 于高空大气温度低，热交换所致，使得上升 气团中的水气凝结而出现雾滴，就产生了云。
各地地面晴天大气电场



Hale Waihona Puke 观察表明：晴天大气电场强度因地而异，随 时在变化；但各地的平均晴天大气电场强度 比较稳定。 广州：87V/m 新疆：56V/m 伦敦丘地区：363V/m 全球平均：130V/m 人口稠密的大城市大于此平均值，小城市和 乡村则小于此平均值（<130V/m）。
晴天大气中的电流

下面的五幅图表示从1969~1990年的研 究成果，是大家公认的积雨云电结构示意图。 图A是德国H.Israel发表于 《Atmospheric Electricity》第二卷上，它 是英国伦敦市附近名叫丘这个地方上空探测到 的情况。 图B是美国M.A.Uman所著《Lightning》 一书刊出的在南非多雷地区上空探测的结果。
（二）温差起电学说 冰的热电效应
实验和理论证明，冰有热电效应， 物理机制如图所示。 1. 冰块两端有温差时，离子浓度 热端大于冷端 2 . 离子从热端向冷端扩散； 3. 扩散速度和质量有关，H+离子 快，OH-离子慢； 4 . 静电场出现，方向由冷端指向 热端； 5 . 静电场的作用阻止氢离子继续 扩散，最后达到静态平衡，使得 冷端带一定的正电，热端带负电， 变为一个电偶极子。
充足的水汽； 强烈的上升运动； 大气层结不稳定。

形成条件

积状云如何发展成积雨云？
积状云如何发展成积雨云？
局部地区大气的对流可以形成积雨云。 由于地面吸收太阳的辐射热量远远大于空气 层，所以白天地面温度升高较多，夏日这种 升温更显著，所以近地层的大气的温度由于 热传导和热辐射也跟着升高，气体温度升高 就必然膨胀，密度减小，压强也降低，根据 流体力学原理就要上升，上方的空气层密度 相对较大，就要下沉。
Simpson提出的积雨云中的电 荷分布模式

正电荷区
高度：6公里 温度：-30℃ 半径：2公里 电量：+24库仑 高度：3公里 温度：-8℃ 半径：1公里 电量：-20库仑 高度：1.5公里 温度：1.5℃ 半径：0.5公里 电量：+4库仑
负电荷区

正电荷区
对流云中大气电学量的常见值

积雨云中大气电场强度很大，峰值平均 在 102 v / cm 至 103 v/cm 。70年代中国科学 院大气物理所在北京曾探测到积雨云中 大气电场强度的峰值，最大值可 达 1.4 *103 v / cm 。下表列出一些实测的数据。



5 天气现象：大雨、雪、暴雨、冰雹和闪电； 6 降水持续时间短（20分钟），移动速度 很快（170公里/小时），降水强度大（几 毫米/分钟）； 7 云内电场强度达1000 V/cm； 8 常出现在夏季，春初秋末偶有发生。 锋面雷暴与锋面移动有相关性，其趋势可 以预测。
三、积雨云中的电结构


描述大气电场的方法


物理上用两个量： 电场强度E（矢量）和电位V（标量）。 关系：E=一▽V。 结论：E的方向由高电位指向低电位； 电力线（E）处处与等位面相垂直； 当等位面按相等的电位差来画时，从 等位面的间距和疏密情况，就可以知道电 场强度的分布，密集时，电场强度大，稀 疏时，电场强度小。
（三）破碎起电学说
一个下落的大水滴在下落过程中受到 气流的作用变得不稳定，同时形成一个 支撑在液体圆环上的不断扩大的口袋， 最终破裂产生许多带负电的小水滴，圆 环则破碎成几个带正电的大水滴。 但是按这一学说，雨滴所能达到的 带电量并不够多，这样形成的积雨云的 带电量比实际观测值至少小2个数量级。 若考虑到云中雨滴下沉时已存在晴天大 气电场，使水滴感应带电，则破碎后大 小水滴所获得的电量就大多了，而且积 雨云中的大气电场又在随着体电荷的出 现而逐渐增大，使雨滴感应带电的电量 也同步增大。根据这一理论补充而推断 出来的积雨云的总带电量与实测值的平 均值比较接近了。




晴天大气有电场，又有微弱的电流，是什麽 参与了导电呢？是带电离子。电离源包括： 宇宙射线，自然现象和人工产生。 晴天大气电流包括： 传导电流：大气正负离子定向移动产生； 对流电流：气体对流携带体电荷一起移 动产生(P)；
晴天大气中的电流
扩散电流： 大气电荷因湍流和扩散形成 （无规则）； 位移电流： 电场强度发生变化形成。 晴天时，在贴近地面处，当对流和湍流较强 时，传导、对流和扩散的电流密度量级相近， 但方向各不相同，位移电流很小。但当闪电 发生时，场强突然增大，要考虑位移电流。
四、积雨云的起电机制

积雨云中的雷电是怎样产生的？ 为什麽总是分布成三个电荷集中区？ 这个问题涉及积雨云起电的物理机制，许多科 学家一直在研究这个问题，先后提出了几十种 理论。要验证、判别理论的正确性就必须到积 雨云中去观测实验，这是很难做到的，通常只 能在实验室做某种有局限性的实验，所以迄今 为止，对积雨云起电机制的研究仍处于探索阶 段。

温差起电学说 —积雨云温差起电



积雨云通过两种方式与冰的热电效应发生联系。一种是冰 晶、雹粒相互碰撞摩擦时，如果相互接触中有温度差异就会发 生热电效应，有离子迁移，当两者分开时，同时带上异号电荷。 带电的冰晶、雹粒在重力和气流的双重作用下，互相分离。这 个过程导致积雨云中正、负电荷分布复杂。 另一种是过冷液滴与雹粒的接触，过冷液滴有了凝结核而发生 相变，迅速变成固态，即冰，同时放出潜热，它使凝结的冰块 内部膨胀，导致外部冰壳破碎成冰屑，又由于潜热造成温度差， 出现热电效应，使破碎的冰屑和内部的冰核均带上电，轻而小 的冰屑带正电，被气流携带上升，所以上部积聚正电荷。 理论推算得知：大气电场可以在10分钟内从初始场增加 到 3 * 103V / cm ，高度可以达到2.5公里。与实验观测值接 近，所以得到公认。
积雨云的特点——热力对流




1 2 3 4 5 6 7
垂直对流非常强烈； 云中有水雾滴，过冷水滴（0℃以下），冰晶； 云顶为砧状或鬃状； 厚度在10公里左右，水平范围在几公里左右； 天气现象：大雨、暴雨、冰雹和闪电； 常出现在午后，生成快，消失也快； 华北、西北的夏季多见。
一般说来，这种雷暴危害不算太大，称为气团雷暴。

积雨云中的电结构
共同的结论是： 1 从内部看，积雨云中大气体电荷分 布很复杂，但可以看成为三个电荷集 中区，最高的集中区是正电荷，中间 区为负电荷，最低区为正电荷。

积雨云中的电结构

共同的结论是： 2 在云下方的地面上观测，好象云是带 负电，因中间区的电量最多，对云下空 间产生的大气电场起决定性作用，所以 在雷暴来临时，人们观测到大气电场突 然转向，由正变负，即由地面指向高空。
雷 电 原 理
一、晴天大气电场
一、晴天大气有电场，场强较弱，方向由天空 指向地面。 二、大气电场强度随高度的增加而递减，近地 面处为120V/m－130V/m，到高空10公里以上， 减少到地面处的3%，即3.6 V/m。 三、在平坦的地面上空，大气电场的等势面近 似为水平面，非平坦地面的上空大气电场的 等势面随着地形和地面物体而起伏。
气象学中锋的概念
积雨云的特点—锋面对流


1 垂直发展极旺盛，个体密实，耸立如山； 2 云中有水滴，过冷水滴（0℃以下），冰 晶； 3 云顶为砧状或鬃状，云底阴暗，散乱； 4 垂直高度可达对流层顶或平流层底部 （10~20公里），水平宽度为几公里到几 十公里；
积雨云的特点—锋面对流

气象学中锋的概念
大气中不同性质的气团，即冷气团和暖气 团之间有一个过渡区域，当它十分狭窄的时候， 气象学就称它为锋，在锋的两侧温度有很大差 异。锋在空间上总是倾斜的，锋的宽度向上逐 渐变宽，近地面层约数十公里宽，高层则在 200公里到400公里以上，但它比起气团的范围 来讲还是狭窄的，所以在研究讨论中，常把锋 称之为锋面。

二、雷雨云形成的物理过程



1 雷雨云的带电与晴天大气电场有紧密关系。 2 产生闪电的云，俗称雷雨云。云的种类很 多，有几种与雷电有关，其中最重要的是气 象学中的积雨云。 3 气象上将云分为三族十属二十九类，常见 的各种云的状况如下表：
积状云如何发展成积雨云？



积雨云包括： 1 热力对流形成的积雨云，又称热雷云， 对应气团雷暴； 2 锋面对流（动力对流）形成的积雨云， 又称锋面雷云，对应锋面雷暴。
四、积雨云的起电机制

下面介绍三个公认的比较近似正确的学说。
感应起电学说 温差起电学说 破碎起电学说

起电机制
（一）感应起电学说
又称降水粒子选择性捕获大气离 子的学说 1 降水粒子在晴天大气电场作用下 感生电荷； 2 极化的水滴在下沉中与大气离子 相遇，捕获与下部电荷异号的离 子； 3 大气正离子受其斥力而上升，于 是在云的中下部形成负电荷区， 其上部为正电荷区。 优点：定性解释令人满意 缺点：感生出的电量太少。
三、积雨云中的电结构

图C则是英国B.J.Mason所著《The Physics of Clouds》一书刊载的图，它是 G.C.Simpson根据英国丘地区的大量探测 结果而提出的关于积雨云中电荷分布的模 式。
图4 .4是M.A.Uman发表在1986年出版的 《All About Lightning》一书。图4 .5是1990 年6月美国肯尼迪航天中心和美国国家航天局联 合发表的一份防雷技术报告中刊登的。