雷暴天气为何如此暴躁

制作:中国科普

制作人:姜·鲁宾

生产者:计算机网络信息中心

高温过后，全国许多地方都出现了雷暴，有短期的强降水和频繁的闪电。一些强雷暴持续了几个小时。一些市民拍下了一些罕见而壮观的闪电，瞬间照亮天空，让夜晚看起来像白天。

自古以来，人类就被闪电的巨大力量所敬畏。起初，人们从神话和艺术的角度对闪电增加了许多简单的理解，认为它是由专门研究雷电的神“雷公电母”创造的。在西方传说中，“雷神”的角色也挥舞着一把巨大的锤子来击出闪电。

18世纪中叶，在著名的富兰克林风筝实验之后，人们意识到闪电是大气中的一种“放电现象”。事实上，雷电是由大气中的“雷暴”产生的，伴随着浓密的乌云、强风和阵雨。

左图:对流雷暴云和闪电产生(照片来源:罗杰·希尔/索伦特海峡新闻与摄影社，HTTPS://索伦特海峡。照片助手网站/图库-图片/超级单体-雷暴-罗杰-希尔/G 0000 TMZXHYQMLE/I 0000 V9XA9GKIRG)

右图:典型雷暴云中的电荷分布(图片来源:亚利桑那大学网络课件，http://www . atmo . Arizona . edu/students/court links/spring 08/at m 336 S1/courts/spring 13/at m 589/LEACH _ NOTES/feb 19/feb 19 . html)

什么是雷雨？

在大气科学研究中，产生雷电的天气系统过程通常称为“雷暴”，雷暴是一种局地强对流天气，可伴有强风、强降水和频繁的雷击(闪电)。

在不同的压力和温度下，大气中的水可以显示气相、液相和固相。水蒸气凝结成小水滴和冰晶，这些小水滴和冰晶聚集在一起，漂浮在空气中，形成云。当气流不能“托住”云时，落下并融化的水滴就是雨。众所周知，对流层大气的温度随着高度的增加而降低，在几千米的高度会降到冰点。因此，湿热空气的对流抬升是云和雨形成的关键。太阳辐射对地球表面的不均匀加热、冷空气团和暖空气团的汇聚以及气流对地形的阻挡和爬升都可能导致对流抬升。如果水蒸气充足，对流强烈，上升形成的云可以达到几到十多公里厚，最终会下倾盆大雨。

在零下10度到零下10度的环境中，大量的水载粒子生长、碰撞、合并和分离，这是雷暴云起电的来源——大气对流的不稳定性和能量的剧烈变化，使得雷暴系统具有复杂的气流运动和水汽凝结形成的小冰晶。随着气流的运动和环境温度的变化，它们会以多种模式变化，形成雪晶、雪花、冰雹(如软冰雹、小冰雹、冰雹)等。此外，在0度以下仍有“过冷水”，在雷暴中不会结冰。在复杂的气流中，它们之间的“摩擦”是不可避免的——因此，电被“消灭”。

具体地说，在零下10度到几十度的环境中，诸如冰、雪、冰雹等的粒子具有不同的姿态、大小和重量，气流运动的速度也不同，不同粒子之间必然会发生碰撞！微观上，当冰、雪、冰雹和其他粒子碰撞并弹开时，会发生小的电荷转移，导致不同的粒子携带正负相反的电荷。从宏观上看，由于密度和重量的不同，不同的颗粒随着气流分层聚集。从视觉上来说，雷暴系统就像一个巨大的摩擦装置，它使原本中性的云体分离正负电荷——雷暴云是带电的！

左图:云中不同形式的冰晶和冰雹粒子(照片来源:华盛顿大学云和气溶胶研究小组，见专著《大气科学——简介调查》)

右图:水粒子碰撞和喷射形成的电荷分离示意图(照片来源:克莱夫·桑德斯教授)

雷暴云在蓬勃发展的过程中逐渐携带大量的电荷，就像没有容身之地的愤怒，一直等待着被释放。那些吹破天的闪光是不同云层之间或云层和地面之间瞬间释放电荷的桥梁。闪电是远距离、高电压、强电流的大气放电，能产生频率范围很宽的强电磁辐射，覆盖无线电波、可见光，甚至X射线和伽马射线频段。闪电通道的高温可达数万度，通道周围的空气瞬间受热膨胀，形成冲击波和雷声。与此同时，雷暴中的上升气流也逐渐容纳不下大量的冰、雪、冰雹等粒子，这些粒子下落并融化成雨滴，由此我们可以看到“雨在地上奔涌，闪电在空中噼啪作响”的景象。在少数情况下，太强的对流会使冰雹变得太大，甚至在落到地面的过程中不会融化，这就是我们看到的冰雹。

长期以来，雷暴的起电机制一直是大气电学研究中的一个主要问题。以雷暴中水粒子碰撞和分离为中心的“粒子充电机制”是目前学术界最广泛接受的主要带电机制。它可进一步细分为“非感应带电机制”(如本文所述)、“感应带电机制”(即当电场中极化的不同粒子碰撞时，接触部分将经历异性电荷中和，并在反弹后各自携带净正负电荷)和“二次冰晶带电机制”等。现有观测揭示的闪电活动和云参数之间的关系主要支持这种带电机制在雷暴带电中的主导作用。

此外，学术界还提出了关于雷暴带电的其他假说，如粒子破碎、冻结和熔化的带电机制，以及与晴天大气电场中的*电荷有关的离子扩散和离子俘获机制。

雷暴是“猛烈的”，但也是有益的。

你可能认为云、雨和电的爱与恨是交织在一起的，当闪电出现的时候尘埃落定，但不为人所知的是闪电对大气有更深远的物理和化学影响。就全球大气而言，当天气晴朗时，电离层将不断向地球释放大气电流，不断消耗电离层的“电能”。雷暴和闪电是维持电离层电位的重要“发电机”。它们通过雷暴云起电(DC)和闪电(交流)给电离层充电。

对流层闪电也能引发放电事件，例如在几十到几百公里高的中层大气中的红色精灵。中层大气放电事件是一种由对流层闪电引起的瞬态发光现象，一般发生在海拔40-90公里处，有各种形式，如红色精灵、蓝色喷射、巨型get、精灵、光环等。红色精灵是最常见的中层大气放电事件，通常是由强正云闪电对地面诱发的。对流层中闪电引起的放电会改变这些区域的物理状态，如温度和电子密度，并可能威胁到这些区域附近的航天器和浮船。同时，雷暴也是对流层上层大气的“制冷和空调”，输送水汽产生明显的增湿效果。此外，在空气闪电击穿过程中，氮和氧在高温高压下完全电离，进一步形成氮氧化物氮氧化物，是一种良好的土壤作物“肥料物质”。因此，雷暴在灌溉土地的同时起到了“施肥”的作用。作为全球氮循环的一部分，留在大气中的氮氧化物会对气候变化产生影响。

左:雷暴和闪电作为全球大气电路发生器的示意图(图片来源:科林·普莱斯教授的讲义“全球大气电路”，HTTPS://www.tau.ac.il/~·科林/课程/大气Left全球% 20电路2013.pdf)

右图:闪电触发的对流层中层大气放电示意图(照片来源:帕斯科，副总裁，2003年，大气)。物理学:电动喷气机，自然，423 (6943)，927-929，DOI: 10.1038/423927A)

随着研究的深入，人们对雷暴中云、雨、电交织在一起的众多科学问题逐渐有了更透彻的理解和认识。雷电活动与雷暴天气系统不同参数之间的定量关系(包括水平和垂直风向、风速等动态参数及其变化；冰、雪、冰雹、过冷水、雨滴等微物理参数的演变和分布。；降水等。)，应用于数值模式，不仅可以预测强对流和雷暴天气，还可以预测雷电的发生潜力，从而提高对雷暴灾害天气的防御能力。

参考:

1.秀树，，袁铁，张(2013)，闪电物理，科学出版社，北京。

2.拉科夫，V. A .，&乌曼，硕士(2003)。闪电:物理和效应。剑桥大学出版社。

3.威廉姆斯，E. R. (2001)，"严重风暴的电气化."强对流风暴。美国气象学会，波士顿，马萨诸塞州。

4.帕斯科，副总裁(2003)，大气。物理学:电动喷气机，自然，423(6943)，927-929，doi:10.1038/423927a。

5.美国宇航局网站上的信息:雷暴的隐藏生命

6.colinprice的讲义“全球大气电路”。