1.1 雷电的形成机制

1.1.1 积雨云、雷雨云的电结构

天空中的云千变万化、千姿百态、形形色色。气象学根据云的结构特点、外形特征和云底高度，把云分成20多种。云在不同天气系统演变过程中形成，不仅代表着当时的天气状况，也预示着未来天气的变化。大量观测及研究也显示雷电的形成与云有着密不可分的关系。因此在研究雷电的进程中，对云的研究尤其是积雨云的研究便显得尤为重要。

1．云的分类

大气中的云可以分为很多种，在气象学中，按地面观测（只能观测到云底）可将云分成高云、中云、低云，按云的稳定性可分成层状云和直展（对流）云。具体情况见表1-1。

由表1-1中不同云的特点可以看出，并不是所有的云都会带来雷暴和闪电。能够带来雷电的主要是积雨云，也可称为雷雨云。

2．雷雨云的形成及发展

直击雷和感应雷都与带电的云层有关，带电的云层称为雷雨云。有关雷雨云形成的假说很多，但至今尚未有一种被公认为无懈可击的完整学说。本章介绍其中被认为比较完善并经常被推荐的假说。由于大气的剧烈运动引起静电摩擦和其他电离作用，云团内部产生了大量的带正、负电荷的带电离子。在空间电场力的作用下，这些带电离子定向垂直移动，使云团上部积累正电荷，下部积累负电荷（或者相反），云团内产生分层电荷，形成产生雷电的雷雨云。雷雨云的成因主要来自大气的运动。当雷雨云在天空移动时，在其下方的地面上会静电感应出一个带相反电荷的地面阴影，如图1-1所示。

雷暴出现会带来强降水、大风、光、强电场和强电流、雷、声、电磁脉冲辐射、天电、无线电噪声等。一方面，它可以造成洪涝灾害；另一方面，也会形成强电流强电场造成人类生命财产的损失，因此对雷暴的研究和分析有重要意义。

3．雷雨云中的电结构

大量研究显示，雷雨云上部为正电荷区，下部为负电荷区，具有正的双极性分布，所以一般用偶极性电荷分布来描述雷雨云内主电荷结构。但它的实际电荷分布却要比这种简单模式复杂得多。雷雨云中的电结构如图1-2所示。

雷雨云中的电偶极子分布模式：雷雨云上部为中心高度6km、半径2km、含正电24C的区域，下部为中心高度3km、半径1km、含负电20C的区域，云底附近有一个中心高度1.5km、半径0.5km、含正电4C的区域（常称为正电荷中心）。

根据观测结果，雷雨云中的电结构除上述电偶极子分布外，还有很多其他的特征，雷雨云的电荷分布较晴天大气电荷的分布要复杂得多。

越来越多的研究表明，实际雷雨云中的电结构远比上述垂直分布的偶极型或三极性电荷结构复杂得多，除了主正、负电荷区和底部的小的正电荷区外，电荷结构也会发生倾斜，也可能呈现多层正负极性电荷层互相交替的结构，也会有反极性的电荷结构出现，而且不同极性的电荷也可能出现在同一高度。即使在同一纬度，不同地区、不同季节、不同的环流形式及不同扰动温度形成的雷雨云也各不相同。模式研究是与实际观测相互补充的一项重要研究手段。

假定云内正负电荷分别集中分布在某一高度上，且上方为正电荷，下方为负电荷。如果把大地看成是一平面导体，从物理上分析，在点电荷Q的电场作用下，导体板上出现感应电荷分布。若Q为正的，则感应电荷为负的；若Q为负的，则感应电荷为正的。空间中的电场是由给定的点电荷Q以及导体面上的感应电荷共同激发的。利用镜像法，测站点处地面电场E为

式中　QP、QN——正、负电荷中心的电量；

HP、HN——正、负电荷中心高度；

DP、DN——测站点与云中正、负电荷中心在地面的投影点之间的距离。

1.1.2 积雨云的起电机制

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：

（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。

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。

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。

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。