?利用云層的原理（通過對云層分析來理解閃電）
利用云層的原理（通過對云層分析來理解閃電）在一次正常的閃電前，云里的電荷分布是這樣的：云的上部以正電荷為主，中、下部以負(fù)電荷為主，底部有少量的正電荷。當(dāng)正、負(fù)電荷的量達(dá)到一定的水平時，就會引起放電，這就是我們平常所見的閃電現(xiàn)象。閃電可以發(fā)生在同一塊云的不同部位之間，也可以發(fā)生在云與云之間、云和地之間。發(fā)生在云和地之間的閃電稱為云—地閃電。由于云—地閃電與我們?nèi)祟惖幕顒雍蜕踩芮邢嚓P(guān)，所以對它開展的研究也最多。通過高速攝影儀器我們得知，一個完整的云—地閃電其實是由多次連續(xù)不斷的放電過程組成，這些放電過程沿著同一條通道，如同海浪一樣一波接一波，每兩波的時間間隔僅有百分之幾秒。每次放電一般包括先導(dǎo)和回?fù)魞蓚€過程：先導(dǎo)主要是為閃電放電建立電離通道，相當(dāng)于“鋪路”；當(dāng)先導(dǎo)很接近地面時，就像接通了一根導(dǎo)線，強(qiáng)大的電流以極快的速度由地面流至云層，這一個過程稱為回?fù)?，約需70微秒的時間。如果云層還有足夠的電量，就開始第二次的先導(dǎo)-回?fù)舴烹娺^程。一次完整的云-地閃電過程持續(xù)時間約為0.2秒。
由于閃電是一種放電現(xiàn)象，所以它遵循一定的物理定律，它本身的速度受到空氣電導(dǎo)率等很多因素的影響。有關(guān)學(xué)者通過對多個閃電精細(xì)的科學(xué)觀測，發(fā)現(xiàn)閃電在不同的行進(jìn)階段速度有所不同，如閃電的先導(dǎo)過程的平均速度為150000米/秒，約為光速的1/2000，而回?fù)暨^程的速度遠(yuǎn)大于先導(dǎo)速度，為光速的1/10~1/3，回?fù)暨^程的速度為30000000米/秒～100000000米/秒
閃電的速度遠(yuǎn)低于光速，同時又遠(yuǎn)高于雷聲的速度。
引起的。雷云帶電原因的解釋很多，但還沒有獲得比較滿意的一致認(rèn)識。一般認(rèn)為雷云是在有利的大氣和大地條件下，由強(qiáng)大的潮濕的熱氣流不斷上升進(jìn)入稀薄的大氣層冷凝的結(jié)果。強(qiáng)烈的上升氣流穿過云層，水滴被撞分裂帶電。輕微的水沫帶負(fù)電，被風(fēng)吹得較高，形成大塊得帶負(fù)電的雷云；大滴水珠帶正電，凝聚成雨下降，或懸浮在云中，形成一些局部帶正電的區(qū)域。實測表明，在5～10km的高度主要是正電荷的云層，在1～5km的高度主要是負(fù)電荷
的云層，但在云層的底部也有一塊不大區(qū)域的正電荷聚集。雷云中的電荷分布很不均勻，往往形成多個電荷密集中心。每個電荷中心的電荷約為0.1庫侖～10庫侖，而一大塊雷云同極性的總電荷則可達(dá)數(shù)百庫侖。這樣，在帶有大量不同極性或不同數(shù)量電荷的雷云之間，或雷云和大地之間就形成了強(qiáng)大的電場。隨著雷云的發(fā)展和運(yùn)動，一旦空間電場強(qiáng)度超過大氣游離放電的臨界電場強(qiáng)度（大氣中的電場強(qiáng)度約為30kV/cm，有水滴存在時約為10kV/cm）時，就會發(fā)生云間或?qū)Φ氐幕鸹ǚ烹?；放出幾十乃至幾百千安的電流；產(chǎn)生強(qiáng)烈的光和熱（放電通道溫度高達(dá)15000℃至20000℃），使空氣急劇膨脹震動，發(fā)生霹靂轟鳴。這就是閃電伴隨雷鳴叫做雷電的原故。
雷雨云是對流云發(fā)展的成熟階段,它往往是從積云發(fā)展起來的.發(fā)展完整的對流云,其生命史可以分為以下三個階段：
形成階段：這一階段主要是從淡積云向濃積云發(fā)展.云的垂直尺度有較大的增長,云頂輪廓逐漸清楚,呈圓孤狀或菜花形,云體聳立成塔狀.這樣的云我們在盛夏常常看到.在形成階段中,云中全部為比較規(guī)則的上升氣流,在云的中、上部為最大上升氣流區(qū).上升氣流的垂直廓線呈拋物線型.在形成階段,一般不會產(chǎn)生雷電.
成熟階段：從濃積云發(fā)展成積雨云,就伴隨雷電活動和降水,這是成熟階段的征象.在成熟階段,云除了有規(guī)則的上升氣流外,同時也有系統(tǒng)性的下沉氣流.上升氣流通常在云的移動方向的前部.往往在云的右前側(cè)觀測到最強(qiáng)的上升氣流.上升氣流一般在云的中、上部達(dá)到最大值,可以超過25—30米／秒(見圖1).
消散階段：一陣電閃雷鳴、狂風(fēng)暴雨之后,雷雨云就進(jìn)入了消散階段.這時,云中已為有規(guī)則的下沉氣流所控制.云體逐漸崩潰,云上部很快演變成中、高云系,云底有時還有一些碎積云或碎層云.
圖1 一塊雷雨云的氣流結(jié)構(gòu)示意圖
（二）雷雨云的微物理結(jié)構(gòu)：
一塊成熟的雷雨云,其頂部可以伸展到－40℃的高度(約l萬米以上),而云底部的溫度卻在10℃以上.由于云體在垂直方向上跨過了這么寬的溫度范圍,因而云中水汽凝結(jié)物的相態(tài)就很不一樣.在云中有水滴,過冷卻水滴、雪晶、冰晶等(見圖2).我們把雷雨云按溫度高低來分層,便可以看：在溫度高于0℃的“暖層”的云中,全部是水滴(包括云滴),在溫度0至－8℃的云層中,即有較多的過冷卻水滴(溫度低于0℃的水滴),也有一些雪晶、冰晶；在溫度低于－20℃的云層中,由于過冷卻水滴自然凍結(jié)的概率大為增加,云中冰晶的天然成冰核作用更為顯著,故云中基本上都是雪晶和冰晶了.在成熟階段的雷雨云中,發(fā)生著非常復(fù)雜的微物理過程,在云的“暖層”,有水滴之間由于大小不同而發(fā)生的重力碰撞,也有湍流碰撞和電、聲碰撞過程.同時,有大水滴在氣流作用下發(fā)生變形,破碎而產(chǎn)生“連鎖反應(yīng)”；還有由云的“冷層”中掉到“暖層”中來的大雪花、霰等的融化等.在溫度0℃至－20℃的云層中,水汽由液態(tài)往固態(tài)轉(zhuǎn)移十分活躍,冰、雪晶的粘連,大冰晶破碎等也很頻繁.在低于－20℃的云層中,也還有冰晶之間的粘連和大冰晶的破碎過程發(fā)生.在雷雨云中發(fā)生的所有這些微物理過程,都可以導(dǎo)致云中水汽凝結(jié)物電學(xué)狀態(tài)的改變,對于雷雨云的起電有十分重要的貢獻(xiàn).
圖2 一塊雷雨云的微物理結(jié)構(gòu)示意圖
（三）雷雨云起電機(jī)理
雷雨云起電的機(jī)理目前主要有四種理論：
水滴破裂效應(yīng)：云中水滴在高速氣流中作激烈運(yùn)動,分裂成一些帶負(fù)電的較大顆粒和帶正電的較小顆粒,后者同時被上升氣流攜帶到高空,前者落在低空,這樣正負(fù)兩種電荷便在云層中被分離,這也就是造成90％的云層下部帶負(fù)電的原因.
吸電荷效應(yīng)：由于宇宙射線或其它電離作用,大氣中存在正負(fù)離子,又因為空間存在電場,在電場力的作用下正負(fù)離子在云的上下層分別積累,從而使雷雨云帶電,又稱感應(yīng)起電.
水滴凍冰效應(yīng)：水滴在結(jié)冰過程中會產(chǎn)生電荷,冰晶帶正電荷,水帶負(fù)電荷,當(dāng)上升氣流把冰晶上的水分帶走時,就會導(dǎo)致電荷的分離,而使雷雨云帶電.
溫差起電效應(yīng)：實驗證明在冰塊中存在著正離子（H+）和負(fù)離子（OH-）,在溫度發(fā)生變化時,離子發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動并相互分離.積雨云中的冰晶和雹粒在對流的碰撞和摩擦運(yùn)動中會造成溫度差異,并因溫差起電,帶電的離子又因重力和氣候作用而分離擴(kuò)散,最后達(dá)到一定的動態(tài)平衡.
綜上所述,雷雨云起電可能是某一機(jī)理也可能是多種機(jī)理的效應(yīng)而產(chǎn)生的.
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