积雨云的起电机制解析

在积雨云内，由云中粒子间相互作用起电称为微观起电；而由云内大尺度上升气流使云不同部位和不同极性的电荷的起电机制称为宏观起电机制。目前关于云内的起电理论有几十种，但没有哪一种理论能完善解释所有云荷电的实际观测结果。典型的雷雨云起电主要有感应起电、温差起电、大云滴破碎起电、对流起电等理论，但是这些理论难以用实际的观测证明其正确性。关于积雨云电荷的产生原因有很多学说，可以由感应起电、温差起电和破碎起电等进行解释。

1.1.2.1　感应起电

当云中存在固态或液态水滴时，感应起电十分重要。大量科学研究表明，地球本身就是一个电容器，通常稳定地携带50万C的负电荷，而地球上空有一个带正电的电离层，这样就形成了一个已经充电的电容器，它们之间的电压大约为300kV，上正下负。

降水粒子（大粒子）和云粒子（小粒子）受到外电场的作用而极化，由于降水粒子远大于云粒子，降水粒子向下运动，云粒子向上运动。它们相遇发生碰撞时交换电量。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。当它们接触时，降水粒子正电荷与云粒子负电荷相交换，最后导致降水粒子带负电，云粒子带正电。根据重力分离机制，荷正电的云粒子向云的上部运动，荷负电的降水粒子向云的下部运动，从而形成云中上部为正，下部为负的电荷中心。

积雨云的感应起电机制如图1-3所示。

1.1.2.2　温差起电

夏季经常可观测到在积雨云的顶部的卷云处有电晕现象，这与该处的冰晶和温度有关。

1.温差起电原理

在强对流天气系统中，水打在冰面上而未完全冻结时，所形成的冰凇层带有相当多的负电荷，研究表明，结凇起电决定于垂直冰块表面的温度梯度，单个水滴冻结后，水滴表面会长出一些冰刺而脱落，有时水滴还会破裂，脱落下一些冰屑。

在冰刺或水滴破裂时，较大的残块常常带负电荷，每滴破碎后分离的电量在（-3.67～-400）×10-14C，平均为-2.87×10-13C。冻结的起电原因如下：

图1-3　感应起电机制

（1）冰中有一小部分的分子处于电离状态，形成较轻的H+和较重的羟基OH-离子，并且其浓度随温度升高而很快增加，温度高（热）的地方离子浓度大，温度低（冷）的地方离子浓度低。

（2）H+离子的扩散系数和迁移率比OH-离子要大10倍以上。因此当冰中有温度梯度时，将出现离子浓度梯度。由于热端起初具有较多的正、负离子，而后沿此浓度梯度，H+离子扩散得快，导致正负离子分离，使冷端获得净正电荷电量，而热的一端为净的负电荷，冰中体电荷生成的电场将阻止电荷分离的继续，最后达到平衡状态，冰内建立了稳定的电位差。(www.xing528.com)

温差起电原理如图1-4所示。

2.雹块与冰晶摩擦温差起电机制

对于摩擦温差起电，雹粒系雹胚碰冻云中过冷水滴增长而成，表面较为粗糙，在它降落过程中，云中的冰晶与它碰撞摩擦增温。摩擦时雹粒的粗糙表面只有少量突出部分与冰晶接触，这些少量突出部分升温较高，加上雹粒含有气泡，而空气的导热率小于冰的导热率，不利于这些突出部分的温度因热传导而下降。反之冰晶表面较为细密而光滑，以较大面积与雹粒突出部分接触，摩擦增温面积大，则单位面积增温小。因而由于冰的热电效应，温度较高的雹粒带负电荷，温度较低的冰晶带正电荷。由于云中重力分离作用，带正电荷的冰晶随气流上升至云体上部，而带负电荷的雹粒因重力沉降至云下部，形成云体上部为正电荷区，云体下部为负电荷区。

3.碰冻温差起电机制

较大过冷云滴与雹粒碰撞时，一般因冰核化而引起冻结，云滴表面形成一层冰壳，同时释放冻结潜热，使过冷云滴内部增温；随后，当过冷云滴内部亦冻结时释放潜热，形成冻滴内部热外部冷的径向温度梯度。由于冰的热电效应，使冻滴外壳带正电荷，内部携带负电荷。在过冷云沿着内部冻结的时候，膨胀作用使冰壳破裂，于是冻滴表面飞离的冰屑携带正电荷，冻滴核心部分携带负电荷。在正、负电荷的重力分离过程中，携带正电荷的冰屑随上升气流到达云体上部，而携带负电荷的雹粒因重力下沉到云的下部。

图1-4　温差起电原理图

1.1.2.3　破碎起电

在积雨云荷电结构中，其底部带有少量的正电荷，这一现象可以从大云滴的破碎而引起的带电机制来说明。

如图1-5所示，观测表明，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，且半径超过1mm时，大雨滴即被强上升气流作用而破碎。最初大雨滴表现为变得扁平，然后其下表面被气流吹得凹进去，成为一个水泡或口袋，最后破裂为小水滴。如果外电场E的指向是自上而下，则大雨滴上半部破碎成负电荷的小水滴，下半部破碎成带正电荷的较大水滴。云中正、负电荷在重力作用分离过程中，带负电的小水滴随上升气流到达云的上部；而带正电的大水滴因重力沉降而聚集于0℃层以下的云底附近，使云底带正电。

破碎起电比较复杂，它与水滴的化学组成、气流、水滴温度、外场强度及水滴破裂形式有关，其起电量很不稳定。

图1-5　大水滴破碎起电过程

当水滴在大气电场中破碎时，其起电量与大气电场密切相关。水滴在大气电场作用下极化，球内沿电场E方向的上半部带正电，下半部带负电，破碎时最大可能起电量使水滴的上半部和下半部完全分离。在大气电场的作用下，大雨滴因破碎产生正、负电荷，在重力分离作用下，大水滴破碎后带正电荷沉降聚集于云底附近，使云底附近形成一正电荷区。这对云下部的电荷结构有重要贡献，这种荷电结构对闪电初始击穿的形成具有重要作用，它激发云内负电荷向下运动。