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闪电

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大气中的放电现象。常见於夏季的雷雨。云和云之间的放电现象占闪电的绝大多数,云和地面之间的放电则会影响人类,对建筑物和电器设备的危害极大,可安装避雷针或避雷装置来避免雷击损害。虽然一般都把积雨云与雷雨联想在一起,但是热带地区的很多深对流积雨云与雷雨并没有相关,这其中的关键是牵涉到深对流积雨云里的起电以及电位产生过程。

积雨云里的起电过程主要是透过霰与冰晶在过冷水存在的区域里的碰撞摩擦过程而产生。过冷水区域的产生是透过积雨云里旺盛的上升运动产生和维持,而电荷的分离是云里不同大小颗粒的重力差异产生。积雨云的起电效率取决於每单位体积的积雨云里发生粒子与粒子间的碰撞摩擦效率。

一般缺少闪电的积雨云的原因云里是缺少过冷水或是冰晶,对於热带地区的深对流云而言,缺少冰晶粒子的情形是不太可能发生,因此缺少过冷水是热带海洋深对流云无法产生闪电的主要原因。让海洋性深对流云无法形成是够多过冷水数量的主因是海洋性深对流缺少热带陆地区域深对流的旺盛中层上冲流所致。由於缺乏旺盛的中层上冲流,使得热带海洋地区的深对流云的特徵是低过冷水数量,高浓度的小冰晶粒子(<0.5mm),以及稀少的大冰晶粒子。

对流云里起电过程的必要条件是云里要存在着足够多的云水。当这些云水被上冲流带到高对流层的零下40°C区域时,这些被带上来的云水,一些是以过冷水的方式存在,一些则凝结形成冰晶。透过这些冰晶的成长而形成较大的冰晶,因受到重力作用而做下降运动,在通过过冷水浓度高的区域时,产生冰晶和过冷水的碰撞接触。碰撞接触使得过冷水在冰晶表面开始凝结而形成冰晶成长的过程,称为霜化,进而形成更大颗粒的霰。因此,深对流云里此时同时存在较小颗粒的冰晶和较大颗粒的霰。透过云里的上冲流以及不同颗粒大小的粒子受到不同重力作用而产生的向下运动,这些云里冰晶和霰粒子晶的上上下下运动使得软电和冰晶产生无数次的碰撞摩擦。

如果此时有丰富的云水存在,霰会获得冰晶上的负电荷而形成带负电的粒子,冰晶因失去负电子而带正电;若云水较少,霰容易带正电,冰晶则是带负电。由於冰晶质量较轻,因此在上冲流持续的作用之下,较轻的冰晶粒子倾向於集中在对流云的上层,至於较重的霰则会随着重力下降的过程而逐渐的集中於对流云的底部,使得对流云的上层带正电,而对流云的底层带负电,形成云内部的电位差,还有云底和地面的电位差。当电位差的值大到足以克服空气的电阻值,产生放电的现象而形成闪电。倘若放电的现象是由云对地的放电,称为「云对地闪电」;若发生在云内部或云与云之间,称为「云间闪电」。

从以上的讨论可得知积雨云起电有两个重要必要条件。对流云里存在着充份的云水,以及对流云里旺盛的上冲流是积雨云里起电的必要条件。旺盛的上冲流将云水带到极低温的高层而形成过冷水和冰晶粒子,冰晶粒子在丰富过冷水环境下的成长及其透过霜化过程形成较大且较重颗粒的软雹是第二个重要的必要条件。

透过软雹和冰晶粒子在对流云里上上下下运动过程中的碰撞摩擦作用使得软雹获得电子而带负电,而冰晶因失去负电荷而带正电。就是由於积雨云里这些无数次的软雹和冰晶的碰撞摩擦过程,使得积雨云开始起电。因此充份的云水和持续旺盛的上冲流所带来的过冷水、冰晶和软雹是积雨云起电的必要条件。

目前全球的闪电侦测主要可分为卫星闪电侦测和各个国家地区的地面闪电仪侦测两种。卫星闪电侦测主要是由美国太空总署的热带地区降雨侦测任务(Tropical Rainfall Measuring Mission, TRMM)卫星上的闪电影像感应仪LIS和OTD所提供,而近地面的观测仪器则有如北美闪电观测网和我国由台湾电力公司目前操作的TLDS全闪电侦测系统。卫星闪电侦测可提供全球热带地区闪电分布的观测资料,但是因为卫星绕行轨道的特性,因此卫星资料无法对单一的雷雨云系统进行持续的追踪观测。地面的闪电侦测系统则能够长时间的提供高解析度连续全闪电侦测资料,例如北美闪电观测网的资料以及台湾电力公司的IMPACT(第一代云对地闪电侦电侦测系统)和TLDS(第二代全闪电侦测系统)皆提供丰富资料以了闪电在时间和空间上的变化情形。大气的放电现象除了云间和云对地闪电之外,亦会发生云顶向高层大气放电的现象而生成红色精灵和蓝色精灵。红色精灵(sprites)多发生於雷雨云顶向电离层的放电现象,而蓝色精灵(blue jets)则多为雷雨云顶至平流层的放电现象。

中文关键字:积雨云 , 冰晶 , 霰 , 过冷水 , 上冲流

英文关键字cumulonimbus , ice particle , grauple , supercooled water , updraft

参考资料

    Rakov,V.A. and M.A. Uman. 2003. Lightning, New York: Cambridge University Press.Doswell III, C.A. eds. 2001. Severe Convective Storms. Boston: American Meteorological Society. Wallace, J.M. and P.V. Hobbs. 1977. Atmospheric Science: An Introductory Survey. Burlington, MA: Elsevier Academic Press.Rogers,R.R. and M.K. Yau. 1989. A Short Course in Cloud Physics. New York: Pergamon Press. NASA MSFC Earth Science Office. http://.ghcc.msfc.nasa.gov。Lightning Detection. http://.srh.noaa.gov/ohx/educate/lightning。Vaisala's U.S. National Lightning Detection Network. http://.vaisala/weather/products/lightuing/knowledgecenter/

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