关于雷电，你知道多少

作者: 图灵教育 | 来源:发表于2016-06-14 09:32 被阅读145次

夏天到了，不时会有雷雨天气，大家知道雷电是怎么形成的吗？对于雷电见怪不怪的我们，当被人问道这个问题的时候，我们要怎么解释？这个问题会不会唤醒你沉睡已久的好奇心？

基础很重要！《雷电之书》是一本关于雷电科学的入门书，下面是《雷电之书》的内容分享。

雷电形成的三大要素

温差

夏季，人们为了避暑会去山地或高原。这些地方四周空气凉爽，非常舒适。当人们爬到山上等海拔较高的地方时，为何气温会降低呢？或许还有人会这样想：高的地方离太阳更近一些，应该会更热吧？

在地球的四周存在着对于我们呼吸而言不可或缺的空气。空气是由氮气和氧气等具有质量的分子构成的，不过单个分子的质量则是可以忽略的。地球的引力会作用于所有的空气分子。空气分子被地球向下吸引，就形成了包围地表的空气层（大气层）。这个空气层的95% 都处在距离地表20 km 之内的范围。

如果把空气层划分成几个厚度相同的区域，就会如图1.4 所示。

虽然单独来看它们的厚度相同、重量相等，但最靠近地表的一层，所承担的则是它自身和它上面所有层累计的空气重量。因此，最下层承受的空气的重量也会“积少成多”，在地表的任何一个地方施加1 个标准大气压的压力，对于比邮票还小的1 cm2的面积而言，其压下的重量竟然会达到1013 g。但是，随着高度的上升（离地表越来越远），气压就会以指数函数的关系逐渐变小。在距离地表5.3 km的高度，气压将变为标准大气压的一半。假设地表的气温为30 ℃，那么离地表高度5 km 的地方气温便是0 ℃，高度为12 km 时，则是-50 ℃，变得极其寒冷。

空气的压力和体积变化，也会引起温度变化。在密封的容器里充入空气并施加压力，空气体积缩小，温度就会上升。相反，加大空气体积，温度则会下降，这是与气体的性质（波义耳定律）相关的。上行的空气（例如上升气流等）也是如此。空气上升到高处，压力随高度抬升变小，空气体积扩张的同时，温度便会下降。根据这样的机制，地表与形成云的高空就形成了温差。

不过，在距地表20 km 以上的高度（不存在云的高度），空气已经非常稀薄，冷却效应便会消失。相反，这里还会因太阳光的直射而温度上升。

上升气流

上升气流会在高空形成各式各样的云，除此之外，还具有让云中产生摩擦，进而产生电的作用。上升气流的产生方式有多种，如图1.5 所示。

我们在天气预报中常听到低气压会产生上升气流。低气压意味着当地的空气压力比周围的空气压力更低。低气压的低，只是相对于周围而言。所以，就算是低气压，有时也会超过1个标准大气压。低气压周围的空气会因压力差流入，而流入的空气可通行的只有去往高空一条路，因此便产生了上升气流。通过上升气流，空气体积扩散，温度变低。当达到露点温度（溶在空气中的水蒸气成为水的温度）以下的高度时，便会形成云。也正是这个原因，当低气压邻近时，天气通常会变坏。另外，当空气因温差形成对流时，也会形成上升气流。

当地面因强烈的日光而变得温暖时，地面与寒冷的高空之间就会形成温差，温差引起空气的对流，便会产生上升气流。比如在夏季，在阳光强烈的午后发生的雷雨，成因便多是温差产生的上升气流。另外，锋面交汇也会产生上升气流。所谓锋面，是指温度不同的空气团交汇的部分，这样会引起空气对流，因此非常容易产生上升气流。地形也会产生上升气流。当风遇到大山等阻隔地形时，会沿着山脊被抬升，变为上升气流。赤道附近的南国岛屿，由于岛屿比海面更容易变暖升温，所以岛屿的上空会产生上升气流，有时还会形成云带来降水。

摩擦电

物质由多种分子组成，而分子又是由原子构成的。原子中心的原子核带正电荷，它四周的电子云中则聚集了带负电荷、不停运动着的电子。但是，因为原子内的正负电相同，于是，原子在电的性质方面保持着中性状态（电中性）。所以，由分子或原子构成的物质通常不会表现出带电性质。

然而，当摩擦物体产生热能时，原子的电性质平衡遭到破坏，就会表现出带电性质。我们把这样形成的电称为摩擦电。比如，将两张薄膜（接触）贴在一起用力摩擦（压力），当分开（分离）时，便会产生静电。接触压力越大，分离速度越快，静电电量就会越多（电压变高）。两种物质互相摩擦，我们把容易带正电（+）的物质排在前面，把容易带负电（-）的物质排在后面，这样形成的次序叫作带电序列。在图1.6 中，

用毛皮摩擦玻璃时，毛皮会带（-）电，玻璃会带（+）电。物质的带电性质可以通过摩擦对象而改变，把带电序列的前面的物质和后面的物质进行摩擦时，排在前面的物质带（+）电，排在后面的物质带（-）电。带电序列中，位置靠近的物质，摩擦产生的电量（电压）较小。

雷雨云的成长

云的形成

一般情况下，形成云的云凝结核是由直径0.02 mm 左右的水滴或冰的结晶（冰晶）构成。云凝结核由上升气流支撑而悬浮在空中。不过，也有的云凝结核会与上升气流“背道而驰”，自上而下地落下，它们就是直径在2 mm 以上的水滴或冰粒等。雨、雪、霰（雪丸）、雹等就属于这种情况，我们称之为降水。

如果以云的高度分类，可像图1.7 那样分为三大类型。

高云族主要由冰晶构成，形成于距地表5 km～ 13 km 的高空，包括“卷云”“卷积云”“卷层云”等；中云族形成于距地表2 km～7 km 的空中，包括“高积云”“高层云”“雨层云”；低云族形成于地表之上2 km 的高度，包括“层积云”“层云”等。此外，还有因上升气流自下而上伸展发育的对流云，包括“积云”“积雨云”等。这种积雨云容易发展为雷雨云。

发展为雷雨云

积雨云在垂直方向的高度可达10 km 以上，在它的巨大身躯之内，温暖的上升气流和寒冷的下沉气流相互碰撞、摩擦，使得积雨云得到巨大的电能充能，进而逐渐变化为雷雨云。云内生成电的过程，在所有季节基本都是相同的。下面会详细介绍这一过程。

在云中，云粒子（云滴、冰晶等）和降水粒子（雨、雪、霰、雹等）之间的电（准确来说是电荷）呈分离趋势活动着。但是，由于库仑力（带电物体彼此间的作用力）的缘故，正负电荷相互拉扯牵制。所以，云粒子和降水粒子间的电荷若想分离，则必须战胜库仑力的作用。在这种情况下，抬升云粒子的上升气流和对降水粒子起到作用的地球引力将完成这个任务。降水粒子中，雨滴的最大直径约为4 mm，当直径比这种雨滴更大的霰粒子大量产生并激烈降下时，就会产生满足雷电发生所需要的充足电荷。并且，在霰粒子形成时，也会产生细微的冰晶，从电的性质上来讲，冰晶带正电，霰粒子带负电。通过上升气流和地球引力的平衡作用，较轻的冰晶被搬运到云的上部，因而，云的上部分布着正电荷。而在这些冰晶的下面，则是因地球引力作用而下沉的霰粒子，带负电的霰粒子使得其所在的区域分布着负电荷。

霰粒子因受到地球引力而下沉，与此同时，上升气流也同样发挥作用抬升云粒子，所以，在一定高度的云内，正负电荷会发生分离，并分别蓄积起来（图1.8）。

不过，关于云内部粒子（雨滴、冰晶、霰粒子等）带电的电荷符号（正、负）形成机制，目前还不清楚。

这种电的蓄积储存状态，与我们日常生活中的干电池一样，但也有几点不同。第一，这里产生电的机制不是化学反应，而是可以将其视为物理现象。第二，从蓄积储存电的能力来说，可以把雷雨云视为充电电池。不过，即使发生落雷，雷雨云中的电消失了，只要具备可以形成上升气流、冰晶、霰粒子的气象条件，雷雨云也具有自动充电的功能。

更进一步说，与我们使用的电池的根本不同之处在于，雷雨云是自然创造出的产物，其规模是人工制造物无法比拟的。并且，它也是没有实体的。

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