夏季雷雨的形成

夏季雷雨的形成

雷电是大气中的一种放电现象，放电有时发生在云层与云层之间，有时则发生在云层与大地之间，这两种放电现象俗称打雷。打雷造成危害又叫雷击。雷击分为直接雷击与间接雷击，它会破坏建筑物、电器设备，伤害人、畜。打雷放电时间极短，但电流异常强大。放电时产生的强光，就是闪电。

雷电是怎样形成的，一直是人们长期探讨的问题，特别是球形闪电的出现，更给闪电的出现增加了一层神秘的色彩。

传统的观念认为，雷电是由大气云层之间相互摩擦引起的放电现象，持这种观念的人认为，雷雨发生前期，由于大气压强不稳定，高气压区流向低气压区，地面的暖湿高温气体上升，高空的冷空气下降，这两股气流相遇便形成云和雨，由于云层之间的相互摩擦而产生电荷，当电压达到一定程度便产生放电现象，这就是雷电。持这种观念的人现在已经占据社会主流，并且已经把这种现象写入教科书。

笔者在这里提出疑问？在物理学上，两种不同的绝缘体相互摩擦便产生电荷，比如玻璃棒和丝绸布、皮毛与干燥的手掌之间摩擦等等都会产生电荷。问题是云层之间的摩擦是同一种物质空气，况且它们在相互运动当中以充分混合，混合在一起的东西怎么会形成电场？云与云之间的化学成分、物理特性都是一样的，它们之间产生如此大的强电场更是不可理喻。而且它们之间的能量等级也不相符，也就是说空气对流之间产生的能量，即使全部转化为电荷能也远不及一道闪电产生的能量高，对于球形闪电产生更是无法解释。

许多人都知道，“摩擦起电”实验必须让器材保持干燥，否则实验不会成功。在自然界中，各种摩擦起电现象严格受到湿度限制，水分子自身很难在摩擦中带电。即使水分子能够因摩擦带电，因受到范围限制，电荷也会很快中和掉，是不会聚集而产生雷电现象的。

现在学界普遍认为：雷电是由于云层间相互摩擦、碰撞使不同的云层带有不同的电，当电压达到一定程度后，临近两片云层边发生放电现象。这种解释的思想源于十八世纪前的摩擦生电理论。不过，学过流体力学的都知道，流体不是固体，它们之间不是摩擦。而且云层摩擦放电，也不应该与大地有关，云地间的电击电荷一直是上正下负，这种电场怎么形成的呢？无法解释。

在工业生产中，一些化工企业常常在生产之前将一些压力容器、管道试压吹扫，使用介质有高压水蒸气、压缩空气 、氮气等等，这些设备使用的压力达到1-6Mpa，是自然界大气压差的数百倍，当这些设备进行泄压吹扫时，设备里面的气体高速喷出，声音震耳欲聋，流速是自然风力的数百倍，还有喷气式飞机起飞、火箭发射等，它们喷出的气体流速远远高于自然风速，问题是以上这些气体以那么高的速度冲击空气，并没有引起空气带电现象的报告，更谈不上放电现象。

以上这些说明，空气之间的摩擦是不可能产生电荷的，雷雨时发生的雷电也不是空气之间的摩擦产生。

既然雷电不是空气摩擦产生的电荷，雷雨天的雷电又是从哪里来？这就是本文下面要探讨的问题。

首先要介绍一下大气的结构；地球大气是一种不稳定结构，密度大的气体接近于地面，依次密度轻的气体排在地球的最外层。由于大气层对太阳光能量的吸收能力差，大部分能量被地球表面吸收 。相反大气层最外层受太阳的热作用极差，而热能向宇宙空间散发快，这就导致了这里的气温极低，通常在-100℃以下，而这里的气体受到宇宙射线、太阳光高能粒子的轰击成为带电离子，这一层学术界称为为电离层。

地面空气受热膨胀密度减小要上升，高空空气向外辐射热量温度降低密度增大要下降， 正是由于地球大气物理特性与太阳光的热作用这种复杂的关系， 破坏了这种大气的稳定性，

这就造成了大气周期性无规则气候变化。

为了更方便的研究地球天气的变化，我们把大气层分为三层；

第一层地面层，这里指离地面五千米以下的大气层，因为这一层大气接近地面，所以称地面层，地面接受太阳光的能量大，同时又受大气压的影响，这一层的特点是受太阳光热作用强，密度大，空气当中的水含量也都集中在这一区域，在夏天，这里的温度通常在20—30℃以上。

第二层远地面层；这一层指距离地面五千米以上五十千米以下的大气层，这一层空气的特点是温度低密度也低，空气当中的含水量也不大，与地面温差在30℃以上，空气密度大约是地面气体密度的二分之一。

第三层是指地球最外层----电离层，这里距离地面50千米以上，气体密度不到地面气体的十分之一，由于这里气体热量向宇宙空间的辐射量远远低于从太阳辐射中得到的热量，因此这里的温度极低，通常在-150℃以下，这里的气压也不到地球表面气压的十分之一，由于这里裸露在地球的最外层，受太阳光高能粒子及宇宙射线的轰击，这里的气体均被电离，带上正电荷，地球物理学称之为电离层。

大气有这样的特点：温度越高密度越小，但饱和含水量却大，温度越低密度越大，饱和含水量却小。气压越高密度越大，气压越低密度越小，也就是说大气的密度与气压成正比，与温度成反比，大气压又与地面高度成反比，离地面越高气压越小,这就意味着接近地面的气体密度大,而太阳的大部分热能又都集中到了地球表面，加热了地球表面的气体。在这种复杂关系的影响下，地面气体与上层气体要进行定期无规则气体交换，这就是天气变化。 大气的含水量；大气的含水量的多少是天气变化的重要组成部分之一，是气候变化的重要组成部分，直接关系着一场降水量的大小。

大气的饱和含水量与温度成正比，温度越高空气当中的饱和含水量越大，比如0℃时空气中的饱和含水量是0.6％，10℃时为1.2％ 30℃是 4.2％、 40℃是7.3％、80℃是47％、100℃可以达到100％。根据以上数据分析，在夏天，空气当中的总含水量在6％左右，在地面相当于每平方米0.6吨的水量。 真正完全气化的水是无色透明的，它混合在空气中，我们的肉眼看不到它，当它出现饱和的时候才以雾的形式出现，如天上的云，而这些云在太阳光的照射下温度升高又很快消失。

由于太阳光对地球表面的热作用，使地球大气要进行周期性无规则大气循环，这就是天气变化。首先，太阳光照射地面，加热地面空气膨胀和使地面水分大量蒸发，热空气上升，导致地面大气压下降，形成低气压，上升的热空气直接作用使冷空气下降，下降的冷空气由于受大气压的影响密度变大又形成一个高气压，这样就促成一个大气循环，如果这时的大气变化只发生在大气地面层，5000千米以下，则表现为刮风，这种变化地面几乎每天都会发生，它使地面气温变得很平和，使我们所处的环境没有太大的冷热变化，这种变化在一定时间里表现还是很稳定，万里无云，风和日丽。如果没有这种大气变化，我们所处的环境将会变得非常恶劣，地面温度会升的很高，甚至达到100度以上，这对生活在太阳底下所有的生命来说，无疑是一个严重的威胁，人们所用的日光温室和太阳能热水器就是鲜明的左证，正是因为空气的不断流动，将地面上的大部分热量带入空中，使地面上的温度没有太大的变化，从而保持了一个良好的自然环境。

当高空地面同时达到一定温度时，将促使一个更大的大气循环，热空气上升，冷空气下降，冷热空气相遇使空气当中的水分大量析出，形成云雨天气。

这时的大气循环是地面大气与更高空大气的热能交换，高空中的空气由于温度低密度小，在向下运动过程中受大气压的影响密度加大，因此，这些冷空气可直达地面，使地面温度骤然降低。热空气受冷空气影响温度降低，空气当中的水分出现饱和，形成云，温度继续降低水分析出形成雨。

如果这时候是在炎热的夏季，这种强对流天气的运动则更加强烈，向下运动的冷空气可

形成下龙卷风，它的行程可以达到几十千米，下龙卷风虹吸进大量的高空（50千米以上的电离层）带电离子，由于这种冷空气绝缘性非常好，带电离子与其混合没有任何变化，只是在离地面2000千米左右的高空与湿热空气相遇，发生放电反应，这就是雷电。

水是导体，空气是绝缘体，空气与水的混合物变成了半导体，因此，云层便成了高空中下降带电离子轰击的首选目标，下降的带电离子也可以穿过云层直达地面，直接对大地放电，这就是地面雷。 有时这种带电离子的某一部分被集中带入到地下，而产生缓慢的放电现象，形成火球，当遇到地面接地导电物体时，瞬时放电，发生爆炸，这就是球形闪电的形成原理。 球形闪电实际上就是被下龙卷风吸进的电离层高纯度带电离子，电离层被虹吸进的大部分带电离子与其它冷空气混合，遇到云层时与云层放电，只有极少数高纯度带电离子达到地面，与空气形成缓慢的放电现象，形成火球，并能维持数秒到几十秒钟，这就是整个球形闪电的形成过程。

一道闪电的长度短的有几百米，长的有几公里，连绵弯曲成凸凹形状，产生这种形状，是因为下降的带电离子与云层的接触面所决定，接触面越长闪电长度越长，反之则越短，闪电长度实际上与所形成的电压无关。

一场雷暴发生前，首先是热空气上升，热空气上升导致高空中冷空气下降，下降的冷空气与地面上升的暖湿气流相遇，产生第一片云，由于高空冷空气受大气压的影响密度增大运动加强，云层进一步扩大，向下运动的冷空气形成下龙卷风，并虹吸进大量电离层带电离子，带电离子与云层接触并混合，这种混合物中带电离子的浓度，随着高度增加密度增大，密度大的区域要比密度小的区域对云层所形成的电压要高，因此，雷电放电的起始端总是在云层的上端，依次向下并出现许多小分支，这就是第一道雷电的形成。第一道闪电永远是地上雷，而不是地面雷，这是由于雷雨形成的次序所决定，只有雷电发生的频率达到一定程度时，才出现地面雷，当然，这也与下龙卷风的冲击强度有关。

同时，由于这种高空冷空气温度极低，在与上升的暖湿空气相遇时,使空气当中的水分析出并结冰，这就是冰雹的形成过程。一场大的冰雹天气，必定伴随着大量的电闪雷鸣，其原因正是因为下龙卷风卷进大量的高空带电离子，与天空中的云层发生放电现象,总地来说，一场强降雨正是由于电离层及高空冷空气的大量介入，气温降低，使空气当中的水分大量析出，形成强降雨。

以往人们认为冰雹的形成是因为热空气上升遇冷形成小水滴，小水滴被上升的热空气吹起上升遇到更冷的空气而形成，这种观念太过单一，雷雨天气变化不再是单纯的上下层冷热空气运动变化，而是整个大气层的运动变化，地面刮起的风只是这种运动变化的一小部分，更激烈的运动则发生在空中，只不过天上的空气太过纯净人们的眼睛看不见罢了。

这种空气对流的最后结果是上层空气温度升高，下层空气温度降低。当大气中的密度、温度、气压达到一个新的平衡点时，这种运动宣告结束。上层空气的热量需要一段的时间向太空辐射，下层的空气也需要一定的时间来完成温度上升的过程。 因此，它需要间歇一段时间。

这里需要介绍的是什么是下龙卷风，下龙卷风和上龙卷风的形成原理是一样的，都是过经强气流引起气旋生成的，只不过它们所处的位置正好相反，上龙卷风发生在地面，风向向上运动，它刮起地面许多尘埃，杂质，我们的眼睛可以清楚看得到认得出那是龙卷风，假如说没有这些杂质，我们就很难发现龙卷风。

下龙卷风则不同，它的风向是向下运动，发生在离地面5000米以上的大气层，是由下降强冷空气作用所形成，由于高空中都是无色透明气体，所以我们的眼睛看不到它，就是现在最先进的仪器也发现不了它，但这并不能说明它不存在，它的直接作用就是雷雨天气。 下龙卷风的威力有多大，目前还是未知数，对于它的研究更是捕风捉影，但是它所引发的结果在地面影响却是巨大的，由于它在高空携带大量冷空气， 可直接引发一场强降雨、冰雹，

从高空电离层中吸入大量带电离子，使近地面产生大量的雷电，甚至出现球形闪电，可使地面温度骤然降低等。

有些人认为下雨温度降低，是由于雨水蒸发带走地面大量热量，其实这只是一个错觉，温度降低是由于高空中大量的冷空气介入而引起，当然也包括空气当中的水分析出（雨的形成），雨实际上也是这种冷空气的受害者。这里再次提醒人们，一场强雷雨的过程，不是单纯的热空气上升遇冷的过程，而是整个上下大气层运动变化的结果，因为天上的云是有形有色，人们观察到只是云的运动变化，云层以上的空气是无形无色，而发生在云层以上的运动变化却没有了解，这恐怕就连天上的卫星也束手无策。

夏天雷雨云为什么总在1千米左右的位置下雨？

这是个值得研究的新课题，大家知道，云和雾是一样的，都是由于温度低空气当中的水含量饱和引起，大量微小水滴飘逸在空气中，就形成了云和雾的天气。

水有这样的物理特性，在4℃时密度最大，1000千克/立方米，这是个标准的数值 ，在4℃这个温度上无论温度升高还是降低，水的密度都会减小。这一特性同样也适合空气当中的水含量，温度在4℃时饱和水含量最低，在这个温度上无论是升高还是降低，空气当中的水含量都增大，因此，云或雾出现的最佳温度是4℃左右，当天空上出现一片云或地面上有雾时，也可以简单判断它所在温度为4℃左右。在夏天，当雷雨出现时，地面仍然散发着大量的热量，温度仍在20℃以上，这一温度空气中的含水量还未达到饱和，地面上就不会有水汽的形成。恰恰在1千米以上的高空，由于受冷空气的影响，这里的气温已下降到10℃以下，空气中水的含量已达饱和，并有过量的水分析出，这就是雷雨云为什么总在距离地面1千米左右位置下雨的原因。只有在立冬以后，地面温度下降的4℃左右时，才可以出现大雾天气。

雷阵雨最大的特点；面积小、出现快消失快、雨量密度大集中。又有问题出现了，要知道，一架承载几顿重的飞机需要配备强大的动力才可以使飞机飞上天，一片看似不大的雨云是如何承载拖动上百万吨雨水运动的？它有如此大的浮力吗？

首先确定，雨云并没有拖动上百万吨的雨水前进，它并没有能力来运输这些雨水，雨云运输雨水也只是一个假象，就好像放电影一样，连续的画面很容易让人产生运动的效果。

在雷雨发生前，空气是无色透明的，它里面含有多少水份人们的眼睛也看不到，只有在冷空气大量介入时，湿热空气温度降低，空气当中的含水量达到饱和并析出水分，云层对于水没有托浮作用，水份纷纷落地就是雨。在这个过程中，热空气上升，形成低压带，下降的冷空气便沿着这个低压带前进，在地面则形成大风，沿途当中空气中的水份受冷空气影响纷纷落下，这就是雷阵雨形成的一个简单过程，在这个过程中，下降的冷空气就像一部机器，它吹到那里那里的空气当中的水份便纷纷落地。总而言之，水份是空气当中的一部份，只有受到冷空气影响时，才从空气当中析出并落回地面。

以上内容纯属推理和假设，实情还待观察和考证，同时还在期待更为合理的解释，共同提高我们认识自然的能力。