IAP科普|谁给云朵充电了？

作者：浦云娇

从事雷电物理学研究

大气所LAGEO实验室雷电研究团队学生。

师从郄秀书研究员和蒋如斌副研究员。

山东野外人工引雷实验团队成员。

炽烈的夏天总少不了来一场雷暴，电闪雷鸣，惊心动魄，亦颇为痛快！刚刚还是温柔的朵朵白云怎么说变脸就变脸了呢，谁给它充电让它耍得如此威风？

今天，我们就来聊聊【雷暴云的起电】

雷暴云由来

雷暴的形成与湿热空气在不稳定环境中的对流抬升有关。在炎热的夏天，如果水汽又很充足的话，地面有源源不断炽热的湿空气强烈上升，不断冷却凝结成了云滴，逐渐形成庞大的云体。如果在平原的话，地面受热不均会产生热力抬升；若到了山区，气流爬坡就更容易产生抬升凝结而成云致雨了。

庞大的云体有时会直达平流层底，高度达到10km以上，其内部的垂直气流运动极度剧烈，这也是为什么飞机在穿云时会强烈颠簸的原因。

雷暴云起电

当雷暴云袭来，本身就已是“黑云压城城欲摧”，没想到还有电闪雷鸣令人不寒而栗，这困扰了人们的闪电一度被认为是老天的惩罚、上帝的怒气！富兰克林是第一个认识到有正负电荷的人，也是第一个设计风筝实验想要验证闪电是不是电的伟大科学家。后来，在法国的一个小镇，后人们帮他实现了计划，成功将闪电的电荷引流到一个酒瓶中，发现那可怕的“上帝之鞭”居然也是电！云是会带电的！

(摘自Stolzenburg et al. 1998)

云朵之所以带电，是因为云内有各种不同尺度及不同相态的水成物粒子（霰，雹，雪花，雨滴，冰晶等）在强烈的上升气流作用下相互作用，比如离子捕获、粒子间的碰撞、分离等过程，导致了不同尺度、不同表面温度的粒子携带上不同极性的电荷。而后在气流和重力作用下发生分离，形成正负不同极性的电荷区。

目前，学界对于起电机制仍然有很多争论，主要有

•粒子起电机制----依赖于云内水成物粒子之间相互作用，主要包括：非感应起电、感应起电和次生冰晶起电；

•离子起电机制----综合考虑雷暴云内的对流、传导、离子扩散和湍流扩散等过程引起的电荷生成和输送。离子起电机制虽然能够导致云粒子携带不同极性的电荷，但整个起电过程只与晴天大气中的自由电荷有关。主要包括：离子扩散起电、离子电导捕获和对流起电。

•其他起电理论：破碎起电、冻结起电、融化起电、电晕起电和夹卷起电等。 

经典三极性雷暴电荷结构

20 世纪初，现代雷暴电学领域两位奠基人 Wilson 和 Simpson 就分别利用不同的探测手段，开始了对雷暴云电荷结构的研究。为寻找高能粒子发明云室的 Wilson 是诺贝尔奖获得者，他是第一个利用静电场测量来推断雷暴云内电荷结构和雷电中和电荷量的人。但是Simpson 及其同事们开展的云内电场探空却提供了雷暴云电荷结构的直接科学证据。

（摘自Krehbiel ，1986）

他们利用自由气球携带电晕探针在英国进行了首次雷暴云内的电场探空实验，从而推断出了雷暴云内的电荷结构。在气球上升穿过雷暴云时，他们同时对垂直电场和大气压力进行测量，利用气压值推算出传感器所在的高度。根据探空结果，他们推断雷暴云内的电荷结构由垂直分层的三个电荷区域构成，即三极性电荷结构：下部是电荷量约+4 C 的正电荷区，位于暖于 0℃ 的区域；中间是电荷量约—20 C 的主负电荷区域，位于 0℃ 和—10℃ 的区域；上面是一个主正电荷区，电荷量约+24 C，对应温度低于—10℃ 的区域。

尽管近年来的电场探空表明，雷暴云内的电荷结构较这一电荷结构可能要复杂得多，但是这一三极性的电荷结构被广泛接受了长达近半个世纪。到 20 世纪 90 年代，随着电场探空技术的进步和大量雷暴云内电场探空个例的积累，表明不同雷暴系统、不同的雷暴发展阶段、甚至在雷暴系统的不同区域，其电荷结构可能会有差别。但是，时至今日，在很多情况下，单体雷暴云中的主要电荷区域仍常用经典三极性电荷结构来代表。

雷暴云数值模拟

雷暴云的起电机制可以和云模式或者中尺度气象模式结合起来，包含起电放电的参数化方案，形成雷暴云模式，成为研究雷暴电学的一种重要手段。基于云分辨模式可以模拟雷暴云结构和闪电放电通道，基于中尺度气象模式可进行雷暴云结构的模拟。

延伸阅读

郄秀书, 张其林, 袁铁, 张廷龙 (2013), 雷电物理学.

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