「本文来源:中国科普博览」出品:科普中国制作:蒋如斌(中国科学院大气物理研究所)监制:中国科学院计算机网络信息中心大家在深夜入睡后,有没有被雷暴天气“炸”醒的经历呢?人类自古以来对雷电(亦作闪电)的巨大威力心存敬畏。但其实,雷暴对大气有着深远的影响和作用,可谓是,“有人欢喜有人忧”。人类对雷电的认识最开始,中国古人从神话、艺术的角度对雷电添加了诸多朴素的理解,认为其是由专司打雷和闪电的天神——“雷公电母”所造就,而西方传说中也有“雷神”这一角色手持巨锤击出雷电。直到18世纪中叶,著名的富兰克林风筝实验后,人们才了解到雷电是大气中的“放电现象”。实际上,雷电在大气中由“雷暴”所孕育,它同时还伴随着密布的乌云和疾风骤雨。△对流旺盛的雷暴云及其产生的雷电(图片来源:RogerHill/SolentNewsPhotoAgency)△典型雷暴云内的电荷分布(图片来源:美国亚利桑那大学网络课件)什么是雷暴?它是如何形成的?在大气科学研究中,通常将产生雷电的天气系统过程称为“雷暴”,它是一种局地性强对流天气,发生时可伴随强风、显著的降水以及频繁的雷击(闪电)。那么雨又是如何来的呢?大气中的水在不同压强和温度下可呈现气、液、固等相态。水汽遇冷凝结成的小水滴和冰晶,聚合浮在空中成为云,当气流“托”不住云,往下掉落并融化成的水滴即是雨。众所周知,对流层大气的温度随高度递减,在几公里高度上即可降至冰点,所以,湿热空气的对流抬升是形成云和雨的关键。地球表面受太阳辐射加热不均匀、冷气团和暖气团的交汇、气流遇地形阻挡爬升等,都可能形成对流抬升。若水汽充沛、对流旺盛,抬升形成的云可达几到十几公里厚,最终将降下倾盆大雨。在高空零下十几到几十度的环境中,大量水成物粒子发生增长、碰撞、合并、分离等过程,是雷暴云起电的根源——大气对流的不稳定和能量的剧烈变动,使得雷暴系统内部存在复杂的气流运动,水汽凝结而成的小冰晶,随着气流运动和环境温度的变化,将发生花样百出的变身,形成雪晶、雪花、雹(如软雹、小雹粒、冰雹)等等。此外,雷暴中还存在0度以下仍未结冰的“过冷水”。在复杂的气流中,它们之间的“摩擦”无可避免——于是,电就被“擦”了出来。具体而言,在零下十几到几十度的环境中,冰、雪、雹等粒子的身姿体态和大小重量不尽相同,随气流运动的速度也就快慢有别,不同粒子间的碰撞就必然发生。微观上,冰、雪、雹等粒子的碰撞和弹开,会发生细小的电荷转移,使不同粒子携带正、负相反的电荷;宏观上,不同粒子因密度、重量的差别而随气流分层聚集。形象地说,雷暴系统如同一台巨型抽揉摩擦设备,使原本中性的云体不断分离出正、负电荷——雷暴云被充电了!△左:云中不同形态的冰晶、雹粒子(图片来源:华盛顿大学云和气溶胶研究科课题组,见专著《AtmosphericScience-AnIntroductorySurvey》)右:水粒子碰撞和弹开形成电荷分离示意图(图片来源:CliveSaunders教授)雷暴云在发展旺盛的过程中逐渐携带大量电荷,就像无处安放的愤怒,时刻等待着被释放,那些刮破天际的一道道闪光,是不同云层之间、或云与地之间电荷瞬间释放的桥梁。作为长距离、高电压、强电流的大气放电,雷电可产生很宽频段的强电磁辐射,覆盖无线电波、可见光乃至X射线和伽马射线频段。雷电通道的高温可达上万度,通道周围被瞬间加热膨胀的空气形成冲击波,发出轰隆隆的雷声。与此同时,雷暴中的上升气流也逐渐托持不住大量的冰、雪、雹等粒子,它们掉落并融化成雨滴,于是我们便看到了“地上雨水哗哗啦啦,天上闪电噼噼啪啪”的景象。少数情况下,过于强盛的对流使雹粒生长太大,掉落至地面的过程中甚至来不及融化,就是我们所见到的冰雹。延伸阅读:长期以来,雷暴云的起电机制是大气电学研究一大难题,以雷暴云内水成物粒子的碰撞、分离为核心的“粒子荷电机制”是目前学界认可度最高的主要起电机制,可进一步细分为“非感应起电机制”(如文中所述)、“感应起电机制”(即在电场中被极化的不同粒子碰撞时,接触部分发生异性电荷中和,弹开后各自携带净余的正、负电荷)、“次生冰晶起电机制”等。已有观测所揭示的雷电活动与云内参量的关系,多支持这类起电机制在雷暴起电中的主导作用。此外,学界对雷暴起电还提出过其他假说,例如粒子的破碎、冻结、融化起电机制,以及与晴天大气电场中自由电荷有关的离子扩散、离子捕获机制等。雷暴天气很“暴躁”,但也有“温柔”的一面可能你会觉得,云、雨、电的爱恨纠结,在雷电发生的那一刻就已尘埃落定。但不为人熟知的是,雷电对大气还有更影响深远的物理和化学作用。就全球大气而言,在天气晴的时候,电离层会往地球不断释放大气电流,持续消耗电离层的“电能”,而雷暴和雷电则是维持电离层电位的重要“发电机”,它们通过雷暴云起电(直流)和雷电(交流)给电离层充电。对流层雷电还能在几十到上百公里高度的中层大气激发“红色精灵”等放电事件。中层大气放电事件,是由对流层雷电所引发的一种瞬态发光现象,一般发生于40-90km高空,具有红色精灵(RedSprite)、蓝色喷流(BlueJet)、巨大喷流(giganticget)、淘气精灵(Elves)、光晕(Halo)等多种形式。红色精灵是最常见的中层大气放电事件,通常由强度较大的正极性云对地闪电所诱发。对流层雷电引发的放电能改变这些区域的温度、电子密度等物理状态,并可能威胁在该区域的临近空间飞行器、浮艇等。与此同时,雷暴还是上部对流层大气的“制冷空调”,并输送水汽产生明显的加湿作用。此外,雷电击穿空气的过程中,高温高压下氮气和氧气被完全电离,并进一步形成氮氧化物LNOx,这种氧化物是大地农作物两好的“肥料物质”。所以,雷雨在灌溉大地的同时,还起到“施肥”的作用呢!而留在大气中的氮氧化物,则作为全球氮循环的一部分,对气候变化产生影响。△雷暴、雷电作为全球大气电路发电机示意图(图片来源:ColinPrice教授讲义《TheGlobalAtmosphericElectricCircuit》,)△发生于对流层的雷电激发中层大气放电示意图(图片来源:Pasko,V.P.,,Atmos.physics:Electricjets,Nature,(),–,doi:10./a)随着研究的推进,人们对云、雨、电在雷暴云中交织的众多科学问题,正在逐步获得较为透彻的理解和认识,将雷电活动与雷暴天气系统不同参量之间的定量关系(包括动力学参量,如水平、垂直方向上的风向、风速及其变化;微物理参量,如冰、雪、雹、过冷水、雨滴等的生消演变和分布状态;降水量等),应用于数值模式中,既可以对强对流、雷暴天气进行预警,也可以对雷电的发生潜势等进行预报,从而提高对雷暴灾害天气的防御能力。“一切事物都有两面性”,这点在“雷暴”身上,体现得很明显呢!参考资料:1.郄秀书,张其林,袁铁,张廷龙(),雷电物理学,科学出版社,北京.2.Rakov,V.A.,Uman,M.A.().Lightning:PhysicsandEffects.CambridgeUniversityPress.3.Williams,E.R.(),Theelectrificationofseverestorms.SevereConvectiveStorms.AmericanMeteorologicalSociety,Boston,MA.4.Pasko,V.P.(),Atmos.physics:Electricjets,Nature,(),–,doi:10./a.5.美国国家宇航局NASA网站资料:《TheHiddenLifeofThunderstorms》6.讲义《TheGlobalAtmosphericElectricCircuit》byColinPrice.
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