夏季雷雨的形成 雷電是大氣中的一種放電現象，放電有時發生在云層與云層之間，有時則發生在云層與大地之間，這兩種放電現象俗稱打雷。打雷造成危害又叫雷擊。雷擊分為直接雷擊與間接雷擊，它會破壞建筑物、電器設備，傷害人、畜。打雷放電時間極短，但電流異常強大。放電時產生的強光，就是閃電。 雷電是怎樣形成的，一直是人們長期探討的問題，特別是球形閃電的出現，更給閃電的出現增加了一層神秘的色彩。 傳統的觀念認為，雷電是由大氣云層之間相互摩擦引起的放電現象，持這種觀念的人認為，雷雨發生前期，由于大氣壓強不穩定，高氣壓區流向低氣壓區，地面的暖濕高溫氣體上升，高空的冷空氣下降，這兩股氣流相遇便形成云和雨，由于云層之間的相互摩擦而產生電荷，當電壓達到一定程度便產生放電現象，這就是雷電。持這種觀念的人現在已經占據社會主流，并且已經把這種現象寫入教科書。 筆者在這里提出疑問？在物理學上，兩種不同的絕緣體相互摩擦便產生電荷，比如玻璃棒和絲綢布、皮毛與干燥的手掌之間摩擦等等都會產生電荷。問題是云層之間的摩擦是同一種物質空氣，況且它們在相互運動當中以充分混合，混合在一起的東西怎么會形成電場？云與云之間的化學成分、物理特性都是一樣的，它們之間產生如此大的強電場更是不可理喻。而且它們之間的能量等級也不相符，也就是說空氣對流之間產生的能量，即使全部轉化為電荷能也遠不及一道閃電產生的能量高，對于球形閃電產生更是無法解釋。許多人都知道，“摩擦起電”實驗必須讓器材保持干燥，否則實驗不會成功。在自然界中，各種摩擦起電現象嚴格受到濕度限制，水分子自身很難在摩擦中帶電。即使水分子能夠因摩擦帶電，因受到范圍限制，電荷也會很快中和掉，是不會聚集而產生雷電現象的。 現在學界普遍認為：雷電是由于云層間相互摩擦、碰撞使不同的云層帶有不同的電，當電壓達到一定程度后，臨近兩片云層邊發生放電現象。這種解釋的思想源于十八世紀前的摩擦生電理論。不過，學過流體力學的都知道，流體不是固體，它們之間不是摩擦。而且云層摩擦放電，也不應該與大地有關，云地間的電擊電荷一直是上正下負，這種電場怎么形成的呢？無法解釋。在工業生產中，一些化工企業常常在生產之前將一些壓力容器、管道試壓吹掃，使用介質有高壓水蒸氣、壓縮空氣 、氮氣等等，這些設備使用的壓力達到1-6Mpa，是自然界大氣壓差的數百倍，當這些設備進行泄壓吹掃時，設備里面的氣體高速噴出，聲音震耳欲聾，流速是自然風力的數百倍，還有噴氣式飛機起飛、火箭發射等，它們噴出的氣體流速遠遠高于自然風速，問題是以上這些氣體以那么高的速度沖擊空氣，并沒有引起空氣帶電現象的報告，更談不上放電現象。 以上這些說明，空氣之間的摩擦是不可能產生電荷的，雷雨時發生的雷電也不是空氣之間的摩擦產生。 既然雷電不是空氣摩擦產生的電荷，雷雨天的雷電又是從哪里來？這就是本文下面要探討的問題。 首先要介紹一下大氣的結構；地球大氣是一種不穩定結構，密度大的氣體接近于地面，依次密度輕的氣體排在地球的最外層。由于大氣層對太陽光能量的吸收能力差，大部分能量被地球表面吸收 。相反大氣層最外層受太陽的熱作用極差，而熱能向宇宙空間散發快，這就導致了這里的氣溫極低，通常在-100以下，而這里的氣體受到宇宙射線、太陽光高能粒子的轟擊成為帶電離子，這一層學術界稱為為電離層。地面空氣受熱膨脹密度減小要上升，高空空氣向外輻射熱量溫度降低密度增大要下降， 正是由于地球大氣物理特性與太陽光的熱作用這種復雜的關系， 破壞了這種大氣的穩定性，這就造成了大氣周期性無規則氣候變化。為了更方便的研究地球天氣的變化，我們把大氣層分為三層；第一層地面層，這里指離地面五千米以下的大氣層，因為這一層大氣接近地面，所以稱地面層，地面接受太陽光的能量大，同時又受大氣壓的影響，這一層的特點是受太陽光熱作用強，密度大，空氣當中的水含量也都集中在這一區域，在夏天，這里的溫度通常在2030以上。第二層遠地面層；這一層指距離地面五千米以上五十千米以下的大氣層，這一層空氣的特點是溫度低密度也低，空氣當中的含水量也不大，與地面溫差在30以上，空氣密度大約是地面氣體密度的二分之一。第三層是指地球最外層-電離層，這里距離地面50千米以上，氣體密度不到地面氣體的十分之一，由于這里氣體熱量向宇宙空間的輻射量遠遠低于從太陽輻射中得到的熱量，因此這里的溫度極低，通常在-150以下，這里的氣壓也不到地球表面氣壓的十分之一，由于這里裸露在地球的最外層，受太陽光高能粒子及宇宙射線的轟擊，這里的氣體均被電離，帶上正電荷，地球物理學稱之為電離層。大氣有這樣的特點：溫度越高密度越小，但飽和含水量卻大，溫度越低密度越大，飽和含水量卻小。氣壓越高密度越大，氣壓越低密度越小，也就是說大氣的密度與氣壓成正比，與溫度成反比，大氣壓又與地面高度成反比，離地面越高氣壓越小,這就意味著接近地面的氣體密度大,而太陽的大部分熱能又都集中到了地球表面，加熱了地球表面的氣體。在這種復雜關系的影響下，地面氣體與上層氣體要進行定期無規則氣體交換，這就是天氣變化。大氣的含水量；大氣的含水量的多少是天氣變化的重要組成部分之一，是氣候變化的重要組成部分，直接關系著一場降水量的大小。 大氣的飽和含水量與溫度成正比，溫度越高空氣當中的飽和含水量越大，比如0時空氣中的飽和含水量是0.6，10時為1.2 30是 4.2、 40是7.3、80是47、100可以達到100。根據以上數據分析，在夏天，空氣當中的總含水量在6左右，在地面相當于每平方米0.6噸的水量。 真正完全氣化的水是無色透明的，它混合在空氣中，我們的肉眼看不到它，當它出現飽和的時候才以霧的形式出現，如天上的云，而這些云在太陽光的照射下溫度升高又很快消失。由于太陽光對地球表面的熱作用，使地球大氣要進行周期性無規則大氣循環，這就是天氣變化。首先，太陽光照射地面，加熱地面空氣膨脹和使地面水分大量蒸發，熱空氣上升，導致地面大氣壓下降，形成低氣壓，上升的熱空氣直接作用使冷空氣下降，下降的冷空氣由于受大氣壓的影響密度變大又形成一個高氣壓，這樣就促成一個大氣循環，如果這時的大氣變化只發生在大氣地面層，5000千米以下，則表現為刮風，這種變化地面幾乎每天都會發生，它使地面氣溫變得很平和，使我們所處的環境沒有太大的冷熱變化，這種變化在一定時間里表現還是很穩定，萬里無云，風和日麗。如果沒有這種大氣變化，我們所處的環境將會變得非常惡劣，地面溫度會升的很高，甚至達到100度以上，這對生活在太陽底下所有的生命來說，無疑是一個嚴重的威脅，人們所用的日光溫室和太陽能熱水器就是鮮明的左證，正是因為空氣的不斷流動，將地面上的大部分熱量帶入空中，使地面上的溫度沒有太大的變化，從而保持了一個良好的自然環境。當高空地面同時達到一定溫度時，將促使一個更大的大氣循環，熱空氣上升，冷空氣下降，冷熱空氣相遇使空氣當中的水分大量析出，形成云雨天氣。這時的大氣循環是地面大氣與更高空大氣的熱能交換，高空中的空氣由于溫度低密度小，在向下運動過程中受大氣壓的影響密度加大，因此，這些冷空氣可直達地面，使地面溫度驟然降低。熱空氣受冷空氣影響溫度降低，空氣當中的水分出現飽和，形成云，溫度繼續降低水分析出形成雨。如果這時候是在炎熱的夏季，這種強對流天氣的運動則更加強烈，向下運動的冷空氣可形成下龍卷風，它的行程可以達到幾十千米，下龍卷風虹吸進大量的高空（50千米以上的電離層）帶電離子，由于這種冷空氣絕緣性非常好，帶電離子與其混合沒有任何變化，只是在離地面2000千米左右的高空與濕熱空氣相遇，發生放電反應，這就是雷電。 水是導體，空氣是絕緣體，空氣與水的混合物變成了半導體，因此，云層便成了高空中下降帶電離子轟擊的首選目標，下降的帶電離子也可以穿過云層直達地面，直接對大地放電，這就是地面雷。 有時這種帶電離子的某一部分被集中帶入到地下，而產生緩慢的放電現象，形成火球，當遇到地面接地導電物體時，瞬時放電，發生爆炸，這就是球形閃電的形成原理。 球形閃電實際上就是被下龍卷風吸進的電離層高純度帶電離子，電離層被虹吸進的大部分帶電離子與其它冷空氣混合，遇到云層時與云層放電，只有極少數高純度帶電離子達到地面，與空氣形成緩慢的放電現象，形成火球，并能維持數秒到幾十秒鐘，這就是整個球形閃電的形成過程。 一道閃電的長度短的有幾百米，長的有幾公里，連綿彎曲成凸凹形狀，產生這種形狀，是因為下降的帶電離子與云層的接觸面所決定，接觸面越長閃電長度越長，反之則越短，閃電長度實際上與所形成的電壓無關。 一場雷暴發生前，首先是熱空氣上升，熱空氣上升導致高空中冷空氣下降，下降的冷空氣與地面上升的暖濕氣流相遇，產生第一片云，由于高空冷空氣受大氣壓的影響密度增大運動加強，云層進一步擴大，向下運動的冷空氣形成下龍卷風，并虹吸進大量電離層帶電離子，帶電離子與云層接觸并混合，這種混合物中帶電離子的濃度，隨著高度增加密度增大，密度大的區域要比密度小的區域對云層所形成的電壓要高，因此，雷電放電的起始端總是在云層的上端，依次向下并出現許多小分支，這就是第一道雷電的形成。第一道閃電永遠是地上雷，而不是地面雷，這是由于雷雨形成的次序所決定，只有雷電發生的頻率達到一定程度時，才出現地面雷，當然，這也與下龍卷風的沖擊強度有關。 同時，由于這種高空冷空氣溫度極低，在與上升的暖濕空氣相遇時,使空氣當中的水分析出并結冰，這就是冰雹的形成過程。一場大的冰雹天氣，必定伴隨著大量的電閃雷鳴，其原因正是因為下龍卷風卷進大量的高空帶電離子，與天空中的云層發生放電現象,總地來說，一場強降雨正是由于電離層及高空冷空氣的大量介入，氣溫降低，使空氣當中的水分大量析出，形成強降雨。以往人們認為冰雹的形成是因為熱空氣上升遇冷形成小水滴，小水滴被上升的熱空氣吹起上升遇到更冷的空氣而形成，這種觀念太過單一，雷雨天氣變化不再是單純的上下層冷熱空氣運動變化，而是整個大氣層的運動變化，地面刮起的風只是這種運動變化的一小部分，更激烈的運動則發生在空中，只不過天上的空氣太過純凈人們的眼睛看不見罷了。這種空氣對流的最后結果是上層空氣溫度升高，下層空氣溫度降低。當大氣中的密度、溫度、氣壓達到一個新的平衡點時，這種運動宣告結束。上層空氣的熱量需要一段的時間向太空輻射，下層的空氣也需要一定的時間來完成溫度上升的過程。 因此，它需要間歇一段時間。這里需要介紹的是什么是下龍卷風，下龍卷風和上龍卷風的形成原理是一樣的，都是過經強氣流引起氣旋生成的，只不過它們所處的位置正好相反，上龍卷風發生在地面，風向向上運動，它刮起地面許多塵埃，雜質，我們的眼睛可以清楚看得到認得出那是龍卷風，假如說沒有這些雜質，我們就很難發現龍卷風。下龍卷風則不同，它的風向是向下運動，發生在離地面5000米以上的大氣層，是由下降強冷空氣作用所形成，由于高空中都是無色透明氣體，所以我們的眼睛看不到它，就是現在最先進的儀器也發現不了它，但這并不能說明它不存在，它的直接作用就是雷雨天氣。下龍卷風的威力有多大，目前還是未知數，對于它的研究更是捕風捉影，但是它所引發的結果在地面影響卻是巨大的，由于它在高空攜帶大量冷空氣， 可直接引發一場強降雨、冰雹，從高空電離層中吸入大量帶電離子，使近地面產生大量的雷電，甚至出現球形閃電，可使地面溫度驟然降低等。 有些人認為下雨溫度降低，是由于雨水蒸發帶走地面大量熱量，其實這只是一個錯覺，溫度降低是由于高空中大量的冷空氣介入而引起，當然也包括空氣當中的水分析出（雨的形成），雨實際上也是這種冷空氣的受害者。這里再次提醒人們，一場強雷雨的過程，不是單純的熱空氣上升遇冷的過程，而是整個上下大氣層運動變化的結果，因為天上的云是有形有色，人們觀察到只是云的運動變化，云層以上的空氣是無形無色，而發生在云層以上的運動變化卻沒有了解，這恐怕就連天上的衛星也束手無策。夏天雷雨云為什么總在1千米左右的位置下雨？ 這是個值得研究的新課題，大家知道，云和霧是一樣的，都是由于溫度低空氣當中的水含量飽和引起，大量微小水滴飄逸在空氣中，就形成了云和霧的天氣。水有這樣的物理特性，在4時密度最大，1000千克/立方米，這是個標準的數值，在4這個溫度上無論溫度升高還是降低，水的密度都會減小。這一特性同樣也適合空氣當中的水含量，溫度在4時飽和水含量最低，在這個溫度上無論是升高還是降低，空氣當中的水含量都增大，因此，云或霧出現的最佳溫度是4左右，當天空上出現一片云或地面上有霧時，也可以簡單判斷它所在溫度為4左右。在夏天，當雷雨出現時，地面仍然散發著大量的熱量，溫度仍在20以上，這一溫度空氣中的含水量還未達到飽和，地面上就不會有水汽的形成。恰恰在1千米以上的高空，由于受冷空氣的影響，這里的氣溫已下降到10以下，空氣中水的含量已達飽和，并有過量的水分析出，這就是雷雨云為什么總在距離地面1千米左右位置下雨的原因。只有在立冬以后，地面溫度下降的4左右時，才可以出現大霧天氣。雷陣雨最大的特點；面積小、出現快消失快、雨量密度大集中。又有問題出現了，要知道，一架承載幾頓重的飛機需要配備強大的動力才可以使飛機飛上天，一片看似不大的雨云是如何承載拖動上百萬噸雨水運動的？它有如此大的浮力嗎？首先確定，雨云并沒有拖動上百萬噸的雨水前進，它并沒有能力來運輸這些雨水，雨云運輸雨水也只是一個假象，就好像放電影一樣，連續的畫面很容易讓人產生運動的效果。在雷雨發生前，空氣是無色透明的，它里面含有多