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重力极化是冰雹及雷电形成的主要原因

投稿时间:2016-10-14 17:26 投稿人:王孝恩 【字号: 访问量:

我在近期给“科学智慧火花”栏目的投稿“地球磁极真的能翻转?还是多因素影响的一种假像?”一文中提出:在重力作用下,密度大的原子核有被拉向地心的趋势,密度小的核外空间有被推向远离地心的趋势。这种在重力作用下出现的原子的电荷重心与质量重心不重合的现象就是重力极化。重力极化使得处于重力场中的原子或分子,在靠近地心的一侧带部分的正电荷,在远离地心的一侧带部分的负电荷。这种作用使得地球的表面大地带负电。

一、重力极化是云层带电和雷电形成的主要原因

空气中的氮气和氧气分子的电离能都很高,它们的分子或原子在重力极化作用下产生的偶极属于弹性形变。这种重力极化偶极消散于分子的热运动和碰撞中,因此没有明显的电效应现象发生。

水分子是由两个氢原子和一个氧原子组成的具有“V”形的极性分子。在夏季成雨的快速形成的云团内部,水蒸汽的分压往往大于其饱和蒸汽压,处于一种过饱和状态。这种云团中的小水滴或由少数水分子形成的分子团,在重力极化下使上部带负电荷,下部带正电荷。并且都能将这种极化电荷进行更大高度的传递,或者通过它们之间的碰撞进行传递,正电荷向下传递,负电荷向上传递。结果使得这种含水量大的浓密的云团的上部带上了负电荷,云团的下层带上了正电荷。

当带电的云团随气流快速运动时,受地磁场的作用,云团上层的负电荷被驱赶到与运动方向垂直的一边,云团下层的正电荷被驱赶到相反的另一边。所以这种云层电荷的分布一定是线状的。也就是说,云团上部的负电荷如果分布到左边,下部的正电荷一定分布到右边。

当上、下两个带电云团靠近时,如果上部A云团的右下角的正电荷云线接近到下部的B云团的左上角的负电荷云线时,正负云线相互吸引,快速接近,正负电荷中和放电,一个锯齿形(因云团的边缘不是直线形)的线状的闪电就发生了。当然,当相互靠近的不只是两个云团的两条云线,而是多于两个云团的、多于两条的带有相反电荷的云线时,“y”形或“x”形甚至“W”形的各种不规则形状的闪电也都有可能出现。

当带电云团离地面很近时,其下部一边带有的正电云线,能与来自地面的负电场产生放电,形成上下方向的落地闪电。落地闪电说明云团下部确实带的是正电荷。因此,本文认为马勋涛(2015-09-18科学智慧火花:也谈雷电形成的机理)提出的云层下部带负电的观点是不正确的。现在大家都公认的共识是大地带负电,如果云层的下部带负电,就不会形成落地闪。另外,马先生在文中将闪电分为负电闪和正电闪也是欠妥的。因为每次闪电的发生,都是大量正电荷与大量负电荷相遇时的放电过程,怎么能分为正电闪和负电闪呢?

关于地面高层建筑安装避雷针的工作原理,本文认为雷雨天时避雷针的作用,是将低层云团底部在附近有可能形成的正电荷及时传导到带负电的大地,避免了高层建筑顶部附近云层底部正电荷的积累,也就是减少了建筑高层顶部受雷击的可能。对于云团上部所形成的负电云线,一是所处的位置相对较高,二是与来自避雷针的大地负电场的相互排斥,通常难以发生负电入地的情况。避雷针将雷电引入大地的说法是欠妥的,因为我们从没有人见过闪电进入避雷针的情况,而闪电进入建筑或树木的情况经常可见。也就是说,通常避雷针只传导了雷电的一半——正电部分,而不是整个由正负电荷形成的闪电。它避免了落地闪的发生。

总之,一种能连续传递重力极化电荷的浓密的成雨云团,和云团的快速运动,这两者是云团带电能产生雷电的基础。这也是多云天气的稀薄云层,北方寒冷的冬季,夏天非急、非成暴雨的缓慢运动的均匀云层,地球极区及高原寒冷地区不形成雷电的原因。

二、重力极化使云层带电也是冰雹形成的主要原因

冰雹的形成属于极端天气的产物,它与冬天的雪及冻雨的形成机理完全不同。冰雹在夏季比雷电暴雨的形成更极端的情况下,往往在一场暴风雨的前期发生。在重力极化下特厚的带电云层是冰雹形成的基本条件。

厚厚的浓密云层内部,过饱和的水的蒸汽压,上层带大量的负电荷,下层带大量的正电荷。在云层上部最早形成的小水滴,表面带上负电荷,在下落过程中遇到带正电荷的水分子或分子团,在强的电相互作用下,氢键有规则的排列,快速凝结成小冰晶;继续下降使冰晶表层带上了正电荷,由于云层下部越向下,正电荷密度越大,带正电的小冰晶越向下,遇到的排斥力越大;最后在正电的排斥作用下,使下降过程变成上升过程。

当上升到云层上部的负电区时,又快速吸引凝结带负电的水分子或分子团,冰晶继续长大,并逐渐表面带上负电荷。冰晶越大,表面能容纳的电荷越多。在重力和负电排斥下,带上更多负电的冰晶又开始下落。如此上上下下经过多次上下循环,冰晶长到其重力大于云层下部正电荷的排斥力时,就成为冰雹降到地面。可见,冰雹的大小取决于云层的厚度和云层下部所带正电荷的密度。

在冰雹的形成,以及夹杂的雨滴的形成过程中,共同消耗了云层上、下部分的电荷,使云层所带电荷密度降低到冰雹不再能够生成。冰雹灾害往往是一窄的狭长地带,这与成雹云层的带电分布是一致的。