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为什么会有闪电:闪电成因与影响因素解析

时间:2024-10-10 11:12:04阅读:

为什么会有闪电:闪电成因与影响因素解析

一、闪电形成的原因

闪电的形成主要源于云层内部电荷的产生、分离与积累,以及云层与地面之间电荷的相互作用。

在大气环境中,云层的形成是闪电产生的基础。当空气中的水汽上升遇冷时,水汽会凝结成小水滴或冰晶,从而形成云。在云的形成和发展过程中,存在多种促使电荷产生和分离的机制。其中一种常见的机制是水滴和冰晶之间的摩擦。由于云中的气流运动,水滴和冰晶会相互碰撞、摩擦,这种摩擦过程会使它们带上不同性质的电荷,就像我们日常生活中摩擦起电的现象一样。例如,在雷暴云中,大的软雹和小的冰晶碰撞后,根据温度和水汽密度的不同,会携带不同的电荷。当液态水含量介于0.1 - 4.0gm - 3,温度高于 - 10℃时,大的软雹在碰撞后携带正电荷;而温度低于 - 10℃时,大的软雹在碰撞后携带负电荷。

云层内部电荷分离后,会形成不同的电荷层。一般来说,正电荷会聚集在云的上部,负电荷聚集在云的下部。由于异性电荷相互吸引,带有大量负电荷的云会吸引地面上的正电荷,使地面积聚大量正电荷。当云层中的电荷积累到一定程度,云层与云层之间或者云层与地面之间的电场强度足够大时,就会发生电荷的中和作用,从而产生闪电。这种电荷的中和过程是一种剧烈的放电现象,会释放出大量的能量,这些能量以光和热的形式表现出来,其中光就是我们看到的闪电,而大量的热量使空气迅速膨胀,产生巨大的声响,也就是雷声。由于光速比声速快得多,所以我们总是先看到闪电,然后才听到雷声。

二、闪电产生的物理机制

雷暴云的带电机制

雷暴云带电是闪电产生的前提,目前占主导地位的是“非感应起电”机制。在雷暴云内部,存在着大量的冰晶、软雹、过冷水等不同的水成物粒子。这些粒子在雷暴云内部复杂的气流作用下不断运动,相互之间发生碰撞。在碰撞过程中,它们会携带不同的电荷,大的、重的粒子下沉,小的、轻的粒子上升,从而在雷暴云内形成了携带不同电荷的电荷层,呈现出“正 - 负 - 正”的典型三极性电荷结构。

闪电的发展过程

当雷暴云内的正负电荷层之间的电场强度达到一定程度时,就会触发闪电的产生。闪电的发展就像树的生长一样,会不断延展通道,其“根”和“叶”同时朝着相反的方向发展,整体呈电中性。一端带正电荷朝着云内负电荷区发展,另一端带负电荷朝着云内的正电荷区发展,大多数闪电就在云内发生、发展和熄灭。而部分闪电会向下发展,其先导通道抵达地面,形成云地闪电。闪电的两端通过击穿空气的方式不断发展,建立整个闪电通道。这个引领发展的头部被称为“先导(leader)”,这种两端携带相反电荷、同时发展的先导通道被称为“双向先导”。其中,负先导辐射信号强,以跳跃的方式发展,会在先导头部之前数米出现多个悬浮的空间先导,之后与负先导头部连接,形成多个分叉;正先导的空气击穿阈值较低,其发展像流水一般,连续向前延伸,分叉相对较少,辐射信号弱。

先导发展的物理过程

先导从电晕转化成电弧状态时,涉及到多个物理过程。首先是先导顶端的电离,产生新的电子和离子;由于电子迁移速度快,落在后边的正离子团,使电子向后收缩;电子附着在气体分子上形成负离子;电子与正离子的复合;电子和离子由电离通道向外径扩散;电子和离子对中性分子的加热、激发和发光;最后是电子导电至电弧导电(热离)的转化。在这些过程中,电子和离子的运动、相互作用以及对周围分子的影响,共同构成了闪电先导发展的物理机制。

三、影响闪电出现的因素

气象因素

温度:高温有助于闪电的形成。较高的温度可以使空气中的水蒸气上升,形成云层。当空气受热上升时,水汽会随着气流上升到高空,在上升过程中水汽冷却凝结,形成云。而云是闪电产生的基础,更多的云意味着更多产生闪电的机会。例如在炎热的夏季,气温较高,更容易出现雷暴天气,从而增加闪电出现的频率。

水汽含量:空气中含有大量的水蒸气时,容易形成云层,增加闪电形成的可能性。水汽是云的主要组成部分,丰富的水汽为云的形成提供了物质基础。当水汽充足时,云的体积和厚度会增加,云中的水汽凝结、水滴和冰晶的碰撞等过程也会更加频繁,从而有利于电荷的产生和分离,为闪电的形成创造条件。

垂直风速:垂直风速对闪电的形成也有重要影响。通常情况下,空气的流动以水平方向为主,但在特定条件下,垂直风速可达到十几米/秒,这样的垂直风速能够形成高度达到对流层顶的积雨云,也就是雷暴云。雷暴云内部强烈的对流运动,促使云中的水汽、冰晶、软雹等物质相互碰撞,从而产生电荷分离,引发闪电。例如在夏季,一些地区的垂直风速较大,容易形成雷暴云,进而产生闪电现象。

地理因素

地形地貌:不同的地形地貌会影响闪电的出现。山地地区由于地形的抬升作用,空气被迫上升,容易形成对流云,增加闪电的发生频率。而在平原地区,空气流动相对较为平缓,闪电出现的频率相对较低。海岸地区也是闪电密度高值区,这可能与海陆热力差异导致的气流运动有关。海陆之间的温度差异会引起空气的对流运动,促使云层的形成和电荷的分离,从而增加闪电的发生几率。

海拔高度:海拔高度的变化会影响大气的物理性质,进而影响闪电的形成。一般来说,随着海拔高度的增加,气压降低,空气稀薄,温度也会发生变化。这些因素会影响水汽的凝结、云的形成和电荷的分布。例如在高海拔地区,由于气温较低,水汽更容易凝结成云,而且云的发展和电荷分离过程可能与低海拔地区有所不同,从而对闪电的发生产生影响。

人类活动因素

城市化进程:随着城市的发展,城市地区的高楼大厦越来越多。高建筑物具有更高的雷击风险,一方面是因为高建筑物顶部局地电场较强,容易吸引闪电;另一方面,城市中的高层建筑改变了局部的气流和电场分布。例如,在城市中,高楼之间的气流通道会发生变化,可能促使对流云的形成,增加闪电出现的可能性。同时,城市中的空气污染也可能对闪电产生影响,大气中的气溶胶颗粒等污染物会改变云的微物理过程,影响电荷的产生和分离。

工业排放:工业活动排放的大量污染物,如气溶胶颗粒、温室气体等,会影响大气的物理和化学性质。气溶胶颗粒可以作为云凝结核,改变云的形成过程和性质,进而影响闪电的产生。温室气体的排放导致全球气候变暖,气温升高会影响大气的对流运动和水汽循环,增加闪电出现的频率和强度。

四、不同环境中闪电形成的差异

海洋环境与陆地环境

电荷产生机制的差异

在海洋环境中,水汽的来源主要是海洋表面的蒸发。海洋上空的云层形成过程中,盐粒子可能会参与到电荷的产生和分离过程中。由于海洋环境相对较为稳定,空气湿度较大,云层中的水滴和冰晶的形成和相互作用可能与陆地有所不同。在陆地环境中,地形复杂多样,不同的地形会影响气流的运动,进而影响水汽的输送和云的形成。例如山地地区的地形抬升作用,会促使空气上升形成云,而在这个过程中,陆地上的灰尘颗粒等可能会影响电荷的产生。

闪电频率和强度的差异

一般来说,海洋上的闪电频率相对陆地较低。这可能是因为海洋表面较为平坦,缺乏像陆地那样复杂的地形引起的强烈对流。然而,当海洋上出现强烈的对流天气系统,如热带气旋时,也会产生大量的闪电。在强度方面,海洋上的闪电可能由于水汽充足等原因,在某些情况下强度较大。陆地闪电则受到地形、植被等多种因素的影响,在山区等地形复杂区域,由于地形的抬升作用,容易形成强烈的对流,可能会产生高强度的闪电。

极地地区与热带地区

温度和水汽条件的影响

极地地区气温极低,水汽含量相对较少。在这种环境下,云的形成相对困难,闪电的发生频率也极低。即使有云的形成,由于低温条件下冰晶和水滴的物理性质与热带地区不同,电荷的产生和分离机制也会有所差异。热带地区则是高温多雨,水汽充足,空气对流强烈。这种环境非常有利于云的形成和电荷的分离,因此热带地区是闪电活动最为频繁的区域之一。

对流活动的差异

热带地区的对流活动非常强烈,这是由于太阳辐射强,地面受热不均,导致大量暖湿空气上升。强烈的对流活动使得热带地区的云层高度较高,内部的电荷分离和积累过程更加剧烈,从而产生更多的闪电。而极地地区的对流活动较弱,大气相对稳定,不利于闪电的形成。

五、闪电与气候变化的关系

闪电对气候变化的影响

闪电在全球电路平衡、全球水物质重新分配、NOx的生成等方面起着重要作用,从而间接影响气候变化。例如,闪电产生的高温会使空气中的氮气和氧气发生反应,生成NOx。NOx是一种重要的大气污染物,但在大气化学过程中也扮演着重要角色,它会影响大气的氧化能力、臭氧的生成等,进而对气候变化产生影响。此外,闪电引发的火灾会释放大量的碳和其他物质到大气中,影响大气的成分和辐射平衡。

气候变化对闪电的影响

随着全球气候的变暖,极端天气事件增多,闪电活动也受到影响。在多个时间尺度上,闪电活动对温度做出了一定的正响应。例如,在年际时间尺度上,全球总闪率对全球地面气温的变化是正响应的,灵敏度为17±7%K⁻¹。全球变暖会导致大气对流运动增强,暖空气和湿气上升,为雷暴提供更多的能量,从而增加闪电的发生频率。同时,气候变化还会影响大气的水汽含量、环流模式等,这些因素的改变都会对闪电的形成和分布产生影响。例如,一些地区由于气候变化导致干旱或湿润程度的改变,进而影响闪电的活动。

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