1.1 雷電的形成機制

1.1.1 積雨云、雷雨云的電結構

天空中的云千變萬化、千姿百態、形形色色。氣象學根據云的結構特點、外形特征和云底高度，把云分成20多種。云在不同天氣系統演變過程中形成，不僅代表著當時的天氣狀況，也預示著未來天氣的變化。大量觀測及研究也顯示雷電的形成與云有著密不可分的關系。因此在研究雷電的進程中，對云的研究尤其是積雨云的研究便顯得尤為重要。

1．云的分類

大氣中的云可以分為很多種，在氣象學中，按地面觀測（只能觀測到云底）可將云分成高云、中云、低云，按云的穩定性可分成層狀云和直展（對流）云。具體情況見表1-1。

由表1-1中不同云的特點可以看出，并不是所有的云都會帶來雷暴和閃電。能夠帶來雷電的主要是積雨云，也可稱為雷雨云。

2．雷雨云的形成及發展

直擊雷和感應雷都與帶電的云層有關，帶電的云層稱為雷雨云。有關雷雨云形成的假說很多，但至今尚未有一種被公認為無懈可擊的完整學說。本章介紹其中被認為比較完善并經常被推薦的假說。由于大氣的劇烈運動引起靜電摩擦和其他電離作用，云團內部產生了大量的帶正、負電荷的帶電離子。在空間電場力的作用下，這些帶電離子定向垂直移動，使云團上部積累正電荷，下部積累負電荷（或者相反），云團內產生分層電荷，形成產生雷電的雷雨云。雷雨云的成因主要來自大氣的運動。當雷雨云在天空移動時，在其下方的地面上會靜電感應出一個帶相反電荷的地面陰影，如圖1-1所示。

雷暴出現會帶來強降水、大風、光、強電場和強電流、雷、聲、電磁脈沖輻射、天電、無線電噪聲等。一方面，它可以造成洪澇災害；另一方面，也會形成強電流強電場造成人類生命財產的損失，因此對雷暴的研究和分析有重要意義。

3．雷雨云中的電結構

大量研究顯示，雷雨云上部為正電荷區，下部為負電荷區，具有正的雙極性分布，所以一般用偶極性電荷分布來描述雷雨云內主電荷結構。但它的實際電荷分布卻要比這種簡單模式復雜得多。雷雨云中的電結構如圖1-2所示。

雷雨云中的電偶極子分布模式：雷雨云上部為中心高度6km、半徑2km、含正電24C的區域，下部為中心高度3km、半徑1km、含負電20C的區域，云底附近有一個中心高度1.5km、半徑0.5km、含正電4C的區域（常稱為正電荷中心）。

根據觀測結果，雷雨云中的電結構除上述電偶極子分布外，還有很多其他的特征，雷雨云的電荷分布較晴天大氣電荷的分布要復雜得多。

越來越多的研究表明，實際雷雨云中的電結構遠比上述垂直分布的偶極型或三極性電荷結構復雜得多，除了主正、負電荷區和底部的小的正電荷區外，電荷結構也會發生傾斜，也可能呈現多層正負極性電荷層互相交替的結構，也會有反極性的電荷結構出現，而且不同極性的電荷也可能出現在同一高度。即使在同一緯度，不同地區、不同季節、不同的環流形式及不同擾動溫度形成的雷雨云也各不相同。模式研究是與實際觀測相互補充的一項重要研究手段。

假定云內正負電荷分別集中分布在某一高度上，且上方為正電荷，下方為負電荷。如果把大地看成是一平面導體，從物理上分析，在點電荷Q的電場作用下，導體板上出現感應電荷分布。若Q為正的，則感應電荷為負的；若Q為負的，則感應電荷為正的。空間中的電場是由給定的點電荷Q以及導體面上的感應電荷共同激發的。利用鏡像法，測站點處地面電場E為

式中　QP、QN——正、負電荷中心的電量；

HP、HN——正、負電荷中心高度；

DP、DN——測站點與云中正、負電荷中心在地面的投影點之間的距離。

1.1.2 積雨云的起電機制

在積雨云內，由云中粒子間相互作用起電稱為微觀起電；而由云內大尺度上升氣流使云不同部位和不同極性的電荷的起電機制稱為宏觀起電機制。目前關于云內的起電理論有幾十種，但沒有哪一種理論能完善解釋所有云荷電的實際觀測結果。典型的雷雨云起電主要有感應起電、溫差起電、大云滴破碎起電、對流起電等理論，但是這些理論難以用實際的觀測證明其正確性。關于積雨云電荷的產生原因有很多學說，可以由感應起電、溫差起電和破碎起電等進行解釋。

1.1.2.1 感應起電

當云中存在固態或液態水滴時，感應起電十分重要。大量科學研究表明，地球本身就是一個電容器，通常穩定地攜帶50萬C的負電荷，而地球上空有一個帶正電的電離層，這樣就形成了一個已經充電的電容器，它們之間的電壓大約為300kV，上正下負。

降水粒子（大粒子）和云粒子（小粒子）受到外電場的作用而極化，由于降水粒子遠大于云粒子，降水粒子向下運動，云粒子向上運動。它們相遇發生碰撞時交換電量。如果電場垂直向下，則粒子上半部極化為負電，下半部極化為正電。當它們接觸時，降水粒子正電荷與云粒子負電荷相交換，最后導致降水粒子帶負電，云粒子帶正電。根據重力分離機制，荷正電的云粒子向云的上部運動，荷負電的降水粒子向云的下部運動，從而形成云中上部為正，下部為負的電荷中心。

積雨云的感應起電機制如圖1-3所示。

1.1.2.2 溫差起電

夏季經常可觀測到在積雨云的頂部的卷云處有電暈現象，這與該處的冰晶和溫度有關。

1．溫差起電原理

在強對流天氣系統中，水打在冰面上而未完全凍結時，所形成的冰凇層帶有相當多的負電荷，研究表明，結凇起電決定于垂直冰塊表面的溫度梯度，單個水滴凍結后，水滴表面會長出一些冰刺而脫落，有時水滴還會破裂，脫落下一些冰屑。

在冰刺或水滴破裂時，較大的殘塊常常帶負電荷，每滴破碎后分離的電量在（-3.67～-400）×10-14C，平均為-2.87×10-13C。凍結的起電原因如下：

（1）冰中有一小部分的分子處于電離狀態，形成較輕的H+和較重的羥基OH-離子，并且其濃度隨溫度升高而很快增加，溫度高（熱）的地方離子濃度大，溫度低（冷）的地方離子濃度低。

（2）H+離子的擴散系數和遷移率比OH-離子要大10倍以上。因此當冰中有溫度梯度時，將出現離子濃度梯度。由于熱端起初具有較多的正、負離子，而后沿此濃度梯度，H+離子擴散得快，導致正負離子分離，使冷端獲得凈正電荷電量，而熱的一端為凈的負電荷，冰中體電荷生成的電場將阻止電荷分離的繼續，最后達到平衡狀態，冰內建立了穩定的電位差。

溫差起電原理如圖1-4所示。

2．雹塊與冰晶摩擦溫差起電機制

對于摩擦溫差起電，雹粒系雹胚碰凍云中過冷水滴增長而成，表面較為粗糙，在它降落過程中，云中的冰晶與它碰撞摩擦增溫。摩擦時雹粒的粗糙表面只有少量突出部分與冰晶接觸，這些少量突出部分升溫較高，加上雹粒含有氣泡，而空氣的導熱率小于冰的導熱率，不利于這些突出部分的溫度因熱傳導而下降。反之冰晶表面較為細密而光滑，以較大面積與雹粒突出部分接觸，摩擦增溫面積大，則單位面積增溫小。因而由于冰的熱電效應，溫度較高的雹粒帶負電荷，溫度較低的冰晶帶正電荷。由于云中重力分離作用，帶正電荷的冰晶隨氣流上升至云體上部，而帶負電荷的雹粒因重力沉降至云下部，形成云體上部為正電荷區，云體下部為負電荷區。

3．碰凍溫差起電機制

較大過冷云滴與雹粒碰撞時，一般因冰核化而引起凍結，云滴表面形成一層冰殼，同時釋放凍結潛熱，使過冷云滴內部增溫；隨后，當過冷云滴內部亦凍結時釋放潛熱，形成凍滴內部熱外部冷的徑向溫度梯度。由于冰的熱電效應，使凍滴外殼帶正電荷，內部攜帶負電荷。在過冷云沿著內部凍結的時候，膨脹作用使冰殼破裂，于是凍滴表面飛離的冰屑攜帶正電荷，凍滴核心部分攜帶負電荷。在正、負電荷的重力分離過程中，攜帶正電荷的冰屑隨上升氣流到達云體上部，而攜帶負電荷的雹粒因重力下沉到云的下部。

1.1.2.3 破碎起電

在積雨云荷電結構中，其底部帶有少量的正電荷，這一現象可以從大云滴的破碎而引起的帶電機制來說明。

如圖1-5所示，觀測表明，雷暴云底處集中相當數量的大雨滴，當大雨滴出現在上升氣流很強的地方，且半徑超過1mm時，大雨滴即被強上升氣流作用而破碎。最初大雨滴表現為變得扁平，然后其下表面被氣流吹得凹進去，成為一個水泡或口袋，最后破裂為小水滴。如果外電場E的指向是自上而下，則大雨滴上半部破碎成負電荷的小水滴，下半部破碎成帶正電荷的較大水滴。云中正、負電荷在重力作用分離過程中，帶負電的小水滴隨上升氣流到達云的上部；而帶正電的大水滴因重力沉降而聚集于0℃層以下的云底附近，使云底帶正電。

破碎起電比較復雜，它與水滴的化學組成、氣流、水滴溫度、外場強度及水滴破裂形式有關，其起電量很不穩定。

當水滴在大氣電場中破碎時，其起電量與大氣電場密切相關。水滴在大氣電場作用下極化，球內沿電場E方向的上半部帶正電，下半部帶負電，破碎時最大可能起電量使水滴的上半部和下半部完全分離。在大氣電場的作用下，大雨滴因破碎產生正、負電荷，在重力分離作用下，大水滴破碎后帶正電荷沉降聚集于云底附近，使云底附近形成一正電荷區。這對云下部的電荷結構有重要貢獻，這種荷電結構對閃電初始擊穿的形成具有重要作用，它激發云內負電荷向下運動。