雷雨雲

雷雨雲

雷雨雲是一大團翻騰、波動的水、冰晶和空氣。當雲團里的冰晶在強烈氣流中上下翻滾時，水分會在冰晶的表面凝結成一層層冰，形成冰雹。這些被強烈氣流反覆撕扯、撞擊的冰晶和水滴充滿了靜電。其中重量較輕、帶正電的堆積在雲層上方；較重、帶負電的聚集在雲層底部。至於地面則受雲層底部大量負電的感應帶正電。當正負兩種電荷的差異極大時，就會以閃電的形式把能量釋放出來。

基本概述

雷雨雲

雷雨雲的形成需要一定的條件，從局地條件來看，首先，大氣的垂直層結必須是不穩定的，以便誘發對流活動的發生和發展；其次，空氣中要有足夠的水分，能夠滿足雲的生成。從天氣背景來看，應當有促發局地對流發展的天氣形勢，如冷鋒過境、正在填塞中的低壓、反氣鏇後部、小波動以及高空下股冷空氣活動等。雷雨雲往往由積雲發展而來，它是對流雲發展的成熟階段。一個發展完整的對流雲，一般都有一個形成、成熟和消散的過程。

不同的地方，不同的發展階段，對流雲的厚度相差十分懸殊。在中國西北高原地區，由於大氣中的水汽不充沛，對流雲發展到積雨雲階段也只有3—4公里厚；而中、高緯度的鋒面性對流雲，在發展初期其厚度即可達到5—6公里；在熱帶海洋地區，例如美國的佛羅里達，由於水汽充足，對流雲發展十分旺盛，其雲頂抵達平流層，高度可達20公里以上，其水平尺度一般約為30—40公里。在大多數情況下，雲體先在垂直方向較快增長，當雲頂達到一定的高度並比較穩定之後，才在水平方向較快地增長。

雷雨雲成熟的標誌是伴有雷電活動和降水，當下沉氣流在地面形成陣風時，地面溫度開始明顯下降。一陣電閃雷鳴，狂風暴雨過後，雷雨雲就進入消散階段。在消散階段，雲中已為有規則的下沉氣流所控制。雲體逐漸崩潰，雲上部很快演變成高積雲和偽捲雲，而雲底有時還有一些碎積雲或碎層雲，它們是由降水在地面蒸發後上升凝聚而成的。

在雷雨雲的下方，大氣的電場與晴天正好反向，也就是說，此時地面帶正電荷。它是由雷雨雲感應產生的。這說明雷雨雲帶有負電荷。大量的研究證明，在雷雨雲中存在著正、負兩種電。正電荷集中在雲的上部，而負電荷集中在雲的中下部。在通常情況下，雲下部的負電荷略多於上部的正電荷。有時，在雲的底部還有一個範圍不大的帶正電荷區域，它一般處於雲的前部，這裡上升氣流有局部的極大值。

雷雨雲形成

雷雨雲

人們通常把發生閃電的雲稱為雷雨雲，其實有幾種雲都與閃電有關,如層積雲、雨層雲、積雲、積雨雲，最重要的則是積雨雲，一般專業書中講的雷雨雲就是指積雨雲。 雲的形成過程是空氣中的水汽經由各種原因達到飽和或過飽和狀態而發生凝結的過程。使空氣中水汽達到飽和是形成雲的一個必要條件，其主要方式有： 　
（1） 水汽含量不變，空氣降溫冷卻； 　
（2） 溫度不變，增加水汽含量； 　
（3） 既增加水汽含量，又降低溫度。
但對雲的形成來說，降溫過程是最主要的過程。而降溫冷卻過程中又以上升運動而引起的降溫冷卻作用最為普遍。積雨雲就是一種在強烈垂直對流過程中形成的雲。由於地面吸收太陽的輻射熱量遠大於空氣層，所以白天地面溫度升高較多，夏日這種升溫更為明顯，所以近地面的大氣的溫度由於熱傳導和熱輻射也跟著升高，氣體溫度升高必然膨脹，密度減小，壓強也隨著降低，根據力學原理它就要上升，上方的空氣層密度相對說來就較大，就要下沉。熱氣流在上升過程中膨脹降壓，同時與高空低溫空氣進行熱交換，於是上升氣團中的水汽凝結而出現霧滴，就形成了雲。在強對流過程中，雲中的霧滴進一步降溫，變成過冷水滴、冰晶或雪花，並隨高度逐漸增多。在凍結高度（-10攝氏度），由於過冷水大量凍結而釋放潛熱，使雲頂突然向上發展，達到對流層頂附近後向水平方向鋪展，形成雲砧，是積雨雲的顯著特徵。
積雨雲形成過程中，在大氣電場以及溫差起電效應、破碎起電效應的同時作用下，正負電荷分別在雲的不同部位積聚。當電荷積聚到一定程度，就會在雲與雲之間或雲與地之間發生放電，也就是人們平常所說的"閃電"。　
雷電以其巨大的破壞力給人類社會帶來了慘重的災難，尤其是近幾年來，雷電災害頻繁發生，對國民經濟造成的危害日趨嚴重。我們應當加強防雷意識，與氣象部門積極合作，做好預防工作，將雷害損失降到最低限度。

三個階段

雷雨雲

雷雨雲是對流雲發展的成熟階段，它往往是從積雲發展起來的。發展完整的對流雲，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雲向濃積雲發展。雲的垂直尺度有較大的增長，雲頂輪廓逐漸清楚，呈圓孤狀或菜花形，雲體聳立成塔狀。這樣的雲我們在盛夏常常看到。在形成階段中，雲中全部為比較規則的上升氣流，在雲的中、上部為最大上升氣流區。上升氣流的垂直廓線呈拋物線型。一般不會產生雷電。在其形成階段，淡積雲向濃積雲發展。雲的垂直尺度有較大的增長，雲頂的輪廓逐漸清晰，呈圓弧狀或花菜形，雲體聳立成塔狀。在這一階段，雲中全部為比較規則的上升氣流，雲的中上部是最大氣流上升區。此階段經歷的時間大約為15分鐘，一般不會產生雷電和降水。
成熟階段：從濃積雲發展成積雨雲，就伴隨雷電活動和降水，這是成熟階段的徵象。在成熟階段，雲除了有規則的上升氣流外，同時也有系統性的下沉氣流。上升氣流通常在雲的移動方向的前部。往往在雲的右前側觀測到最強的上升氣流。上升氣流一般在雲的中、上部達到最大值， 濃積雲逐漸發展成積雨雲。此階段，雲中除了有規則的上升氣流外，同時也有系統性的下沉氣流。上升氣流通常在雲的移動方向的前部，氣流的最大值一般出現在雲的中上部，其速度可以達25—60米/秒，甚至更高。下沉氣流是一支從雲的中下部傾斜地穿出來的氣流，它對雷雨雲的發展成熟不單純起消極作用，還與上升氣流一起構成雲中的鉛直環流。對流雲的厚度與起水平尺度具有同一數量級。這是對流雲與其他種類雲最重要的差異之一。
消散階段：一陣電閃雷鳴、狂風暴雨之後，雷雨雲就進入了消散階段。這時，雲中已為有規則的下沉氣流所控制。雲體逐漸崩潰，雲上部很快演變成中、高雲系，雲底有時還有一些碎積雲或碎層雲。

起電理論

雷雨雲

雷雨雲起電的機理目前主要有四種理論：
水滴破裂效應：雲中水滴在高速氣流中作激烈運動，分裂成一些帶負電的較大顆粒和帶正電的較小顆粒，後者同時被上升氣流攜帶到高空，前者落在低空，這樣正負兩種電荷便在雲層中被分離，這也就是造成90％的雲層下部帶負電的原因。
吸電荷效應：由於宇宙射線或其它電離作用，大氣中存在正負離子，又因為空間存在電場，在電場力的作用下正負離子在雲的上下層分別積累，從而使雷雨雲帶電，又稱感應起電。
水滴凍冰效應：水滴在結冰過程中會產生電荷，冰晶帶正電荷，水帶負電荷，當上升氣流把冰晶上的水分帶走時，就會導致電荷的分離，而使雷雨雲帶電。
溫差起電效應：實驗證明在冰塊中存在著正離子（H+）和負離子（OH-），在溫度發生變化時，離子發生擴散運動並相互分離。積雨雲中的冰晶和雹粒在對流的碰撞和摩擦運動中會造成溫度差異，並因溫差起電，帶電的離子又因重力和氣候作用而分離擴散，最後達到一定的動態平衡。 紫外線光解水帶電效應：2016年中國科學家提出的新觀點，從光化學反應角度來解釋這個物理現象。雷雨雲帶電，是由於高空中的雲朵受到<258nm的紫外線照射，發生光化學反應而伴隨產生的一個物理現象。
雷雨雲中電荷產生的類似臭氧層中臭氧產生的原理。雷雨雲的空間分布大約在1000米—10000米的高空，雲團內部的主要物質為水（H2O），隨著溫度和氣壓的不同，雲中的水分為固態、液態、氣態，水的化學鍵為H—O—H,氫氧鍵的鍵能為463/(kJ/mol)=4.8ev(E=1240/λ),即波長<258nm的紫外線就能夠將氫氧鍵激發斷裂。
化學方程式為：H2O+hv（<258nm紫外線）→H+和OH-。
H—OH在被波長<258nm的紫外線照射激發時，原子鍵斷裂的那一瞬間，H粒子奪取電子的能力遠弱於OH，所以，在斷裂時，H粒子失去電子變為H+，OH奪得電子變為OH-（臭氧層中，氧氣分子鍵被紫外線照射激發斷裂時，由於兩個氧原子奪取電子的能力相同，不存在帶電的問題）。
雲團中的H+、OH-是極不穩定的（原因與臭氧層中O原子不穩定道理類似），它們會迅速的與周圍的粒子發生反應形成穩定的粒子。有如下三種情況：
（H+）+（OH-）=H2O（電量中和）
（H+）+（H+）→H2+(帶正電)
（OH-）+（OH-）→H2O2-（帶負電）
帶正電荷的H2、H由於比重（密度）遠遠輕於雲團中的水蒸氣（周圍環境），它會迅速的向雲朵的上方運動，並且一邊運動一邊將自身的正電荷帶到雲朵的上方（導致雲朵上方帶正電）。
帶負電荷的H2O2由於比重（密度）重於雲團中的水蒸氣，它也會迅速的向雲朵的下方運動，並且一邊運動一邊將自身的負電電荷帶到雲朵的下方（導致雲朵下方帶負電）。
最終結果是：
2H2O=H2+↑+H2O2-↓（<258nm紫外線照射條件下）
2H2O2=2H2O+O2(過氧化氫在自然界中極不穩定)
最終結果，使得雲朵的上方顯正電，下方顯負電。