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雷云的電結構及起電機制——浪涌保護器

人氣:590發表時間:2018-06-20

    由于閃電主要來自雷云,因此人們對雷云的電結構進行了廣泛的探測,其結果有如圖1.15所示的一些。其中(1)是德國伊斯雷爾(H Israel)發表于(Atomasheric Electricity)第二卷,在英國倫敦附近的丘地區上空探測到的情況,而(2)和(3)兩圖是美國尤曼(M.A.Uman) 所(Lightrine)書中刊出的,在美國新墨西哥州和南非多雷地區上空探測到的結果。

  浪涌保護器

   以上都是20世紀50、60年代提出來的。不過,近年來出版的書刊上發表的雷云電結構圖也大致與此相同,如圖1.16所示。其中(1)是尤曼發表在1986年出版的《AII Ahout Lightning》一書中的,而(2)則是1990年6月美國肯尼迪航天中心(KSC)和美國國家航天局(NASA) 聯合發表的一份防雷技術報告中的。
  從這些圖中可以看出有四個共同點:①雷云的體電荷分布很復雜,但大致有三個電荷集中區:②最高集中區是正電荷,中區是負電荷,最低區也是正電荷,但這里電荷較少;③從地面上觀測,雷云似乎是帶負電的,因為負電荷中心離地面較近,而且電量也較多,云地之間的大氣電場主要是由它來決定的,這樣就可以理解雷暴來臨時大氣電場傾向的現象了;④從遠離雷云的地方來觀測.雷云的電性類似電偶極子。
   雷云在形成過程中是怎樣產生電荷的?為什么又總是分布成三個電荷集中區?許多科學家都對此進行了探索,提出了許多假說,其中,近似正確的大致有如下四種

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  ①感應起電說:該假說認為在雷云形成時,所含降水粒子在垂直大氣電場中感生出電荷。水滴下端感應出正電荷,水滴上端感應出負電荷,如圖1.17所示。水滴下降時與大氣中的離子相遇,異性電荷相互吸引,于是大氣中的負離子容易與下降水摘相吸附,以至于水滴下端的感生正電荷被中和,這樣水滴就帶上端所剩下的負電荷了。而大氣中的正離子被下降的水滴排斥,繞過水滴繼續上升,結果便造成了雷云上部帶正電、下部帶負電的電荷分布狀況。
  該學說大致說明了雷云起電后的電荷分布,但在精確說明雷電現象時卻發現有不妥之處,故后來有所修改,即認為下降的降水粒子不一定是液態的,也可以是固態的冰晶、苞粒等,它們受到大氣電場的作用面極化,上升氣流的中性粒子與它們相碰時,會帶走下降極化粒子下部的正電荷。經過理論計算,這樣的起電機制所形成的云中正、負電荷量便與實驗觀測到的云中帶電量接近了。
  ②溫差起電說:根據實驗,而且從物理上也可以說明,冰有熱電效應。如圖1.18所示,在冰塊中同時存在著氫離子H和氫氧根離子OH,其離子依度隨者溫度的升高而增大。當冰塊兩端溫度不同時,熱端的離子濃度高,冷端的離子濃度低,因而會發生離子擴散現象。兩種離子均會從熱端跑向冷端。不過氨離子H的質量輕,擴散速度快,先到達冷端,這樣導致冷端帶正電同時建立起靜電場,阻礙后面的組離子H繼續向冷端擴散。最后達到動態平衡時,離了分布穩定下來,使冷端帶有一定的正電,熱端帶有一定的負電,而冰塊成為一個電偶極子。
  所有觀測都看到雷云中有大量的冰晶、苞粒和過冷水滴存在,因此該學說認為雷云中的冰晶、霍粒在對流氣流的攜帶下相互碰撞和摩擦,造成溫度差異,從而發生熱電現象。當兩端在重力和氣流作用下相互分式均帶上了電,這樣就定性地說明了雷云中正、負電荷的分別集中。由該理論可以推導出某些與實驗觀測值較為接近的結論。
  ③破碎起電說:1964年,馬特熱斯(Mathown) 和梅森(B. J. Mason)在對雷云進行探測時,拍攝到大雨滴在下降過程中的一一組照片,如圖1.19所示,這些照片顯示出大雨滴受到氣流的作用,變得不穩定,最后變形破碎,產生許多小水滴和幾個較大水滴,小水滴帶負電而大水滴則帶正電。
  為了解釋雷云起電現象,他們注意到雨滴下降時有晴天大氣電場的起始感應作用,雨滴被極化帶電,因面破碎時所帶電量就多得多。云中電荷增多時,大氣電場強度電跟著增大,反過來又使雨滴極化時帶電量增大。如此反復循環作用,使得雨滴破碎時所帶的電量大大增加,由此推算出云的帶電量與實驗觀測值就比較接近了。
  4.凍結起電說:濃積云中上升氣流雖然很強烈,使水滴相互摩擦作用很大,水滴碰撞分裂也很劇烈,然而在云中產生的電荷并不像觀測到的那樣多,因此該學說認為,只有當云中冷水滴與苞粒接觸時,過冷水滴有了凝結核,發生相變迅速變成固態,云中電荷才會迅速增加

濃積云發展為雷云時,過冷水開始凍結,放出潛熱,使凝結的冰塊內部膨脹,導致外部冰殼破裂成冰屑,又由于潛熱造成溫差,產生熱電現象,使破碎的冰屑和內部的冰核均帶山電,輕而小的冰屑帶正電,被氣流攜帶著上升,使雷云上部聚集起正電,較大的冰核帶負電,它們停留在原址或略有下降,所以雷云的中下部帶負電。雷云中部溫度在0到10攝氏度,是過冷水滴最多的區域,所以雷云中部負電荷較多,該學說較好的說明了雷云的電荷分布情況,同時與實驗觀測也比較接近。

  但是。真正的雷云起電機制究竟如何,要判斷和檢驗上述各種學說也十分困難,因為不太可能到雷云中進行驗證,而僅靠地面實驗室所制作模擬雷電實驗,還是遠遠不夠的,雷云起電過程非常復雜,而且很可能還是綜合性的,上述各種學說僅僅是從某一個側面反映了雷云的起電機制,所以說要全面正確地認識雷云起電機制,這些學說應該是在雷云中都起了作用


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