[科普中國]-雷暴天氣為何如此暴躁

高溫過后，全國多個地方出現(xiàn)雷暴天氣，發(fā)生短時強(qiáng)降水和頻繁的閃電，一些強(qiáng)雷暴天氣過程甚至持續(xù)好幾個小時。有市民拍攝到多段罕見且壯觀的閃電現(xiàn)象，閃電瞬間照亮天空，黑夜仿如白晝。

人類自古以來對雷電（亦作閃電）的巨大威力心存敬畏，最開始，人們從神話、藝術(shù)的角度對雷電添加了諸多樸素的理解，認(rèn)為其是由專司打雷和閃電的天神——“雷公電母”所造就，而西方傳說中也有“雷神”這一角色手持巨錘擊出雷電。

18世紀(jì)中葉，著名的富蘭克林風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)后，人們才了解到雷電是大氣中的“放電現(xiàn)象”。實(shí)際上，雷電在大氣中由“雷暴”所孕育，它同時還伴隨著密布的烏云和疾風(fēng)驟雨。

左：對流旺盛的雷暴云及其產(chǎn)生的雷電（圖片來源：Roger Hill/Solent News & Photo Agency，https://solent.photoshelter.com/gallery-image/Supercell-thunderstorms-by-Roger-Hill/G0000TmSzxhYQMLE/I0000v9XNa9gkirg）

右：典型雷暴云內(nèi)的電荷分布（圖片來源：美國亞利桑那大學(xué)網(wǎng)絡(luò)課件，http://www.atmo.arizona.edu/students/courselinks/spring08/atmo336s1/courses/spring13/atmo589/lecture_notes/feb19/feb19.html）

雷暴是什么？

在大氣科學(xué)研究中，通常將產(chǎn)生雷電的天氣系統(tǒng)過程稱為“雷暴”，它是一種局地性強(qiáng)對流天氣，發(fā)生時可伴隨強(qiáng)風(fēng)、顯著的降水以及頻繁的雷擊（閃電）。

大氣中的水在不同壓強(qiáng)和溫度下可呈現(xiàn)氣、液、固等相態(tài)。水汽遇冷凝結(jié)成的小水滴和冰晶，聚合浮中空中成為云，當(dāng)氣流“托”不住云，往下掉落并融化成的水滴即是雨。眾所周知，對流層大氣的溫度隨高度遞減，在幾公里高度上即可降至冰點(diǎn)，所以，濕熱空氣的對流抬升是形成云和雨的關(guān)鍵。地球表面受太陽輻射加熱不均勻、冷氣團(tuán)和暖氣團(tuán)的交匯、氣流遇地形阻擋爬升等，都可能形成對流抬升。若水汽充沛、對流旺盛，抬升形成的云可達(dá)幾到十幾公里厚，最終將降下傾盆大雨。

在高空零下十幾到幾十度的環(huán)境中，大量水成物粒子發(fā)生增長、碰撞、合并、分離等過程，是雷暴云起電的根源——大氣對流的不穩(wěn)定和能量的劇烈變動，使得雷暴系統(tǒng)內(nèi)部存在復(fù)雜的氣流運(yùn)動，水汽凝結(jié)而成的小冰晶，隨著氣流運(yùn)動和環(huán)境溫度的變化，將發(fā)生花樣百出的變身，形成雪晶、雪花、雹（如軟雹、小雹粒、冰雹）等等。此外，雷暴中還存在0度以下仍未結(jié)冰的“過冷水”。在復(fù)雜的氣流中，它們之間的“摩擦”無可避免——于是，電就被“擦”了出來。

具體而言，在零下十幾到幾十度的環(huán)境中，冰、雪、雹等粒子的身姿體態(tài)和大小重量不盡相同，隨氣流運(yùn)動的速度也就快慢有別，不同粒子間的碰撞就必然發(fā)生！微觀上，冰、雪、雹等粒子的碰撞和彈開，會發(fā)生細(xì)小的電荷轉(zhuǎn)移，使不同粒子攜帶正、負(fù)相反的電荷；宏觀上，不同粒子因密度、重量的差別而隨氣流分層聚集。形象的說，雷暴系統(tǒng)如同一臺巨型抽揉摩擦設(shè)備，使原本中性的云體不斷分離出正、負(fù)電荷——雷暴云被充電了！

左：云中不同形態(tài)的冰晶、雹粒子（圖片來源：華盛頓大學(xué)云和氣溶膠研究克課題組，見專著《Atmospheric Science-An Introductory Survey》）

右：水粒子碰撞和彈開形成電荷分離示意圖（圖片來源：Clive Saunders教授）

雷暴云在發(fā)展旺盛的過程中逐漸攜帶大量電荷，就像無處安放的憤怒，時刻等待著被釋放，那些刮破天際的一道道閃光，是不同云層之間、或云與地之間電荷瞬間釋放的橋梁。作為長距離、高電壓、強(qiáng)電流的大氣放電，雷電可產(chǎn)生很寬頻段的強(qiáng)電磁輻射，覆蓋無線電波、可見光乃至X射線和伽馬射線頻段。雷電通道的高溫可達(dá)上萬度，通道周圍被瞬間加熱膨脹的空氣形成沖擊波，發(fā)出轟隆隆的雷聲。與此同時，雷暴中的上升氣流也逐漸托持不住大量的冰、雪、雹等粒子，它們掉落并融化成雨滴，于是我們便看到了“地上雨水嘩嘩啦啦，天上閃電噼噼啪啪”的景象。少數(shù)情況下，過于強(qiáng)盛的對流使雹粒生長太大，掉落至地面的過程中甚至來不及融化，就是我們所見到的冰雹。

延伸閱讀：長期以來，雷暴云的起電機(jī)制是大氣電學(xué)研究一大難題，以雷暴云內(nèi)水成物粒子的碰撞、分離為核心的“粒子荷電機(jī)制”是目前學(xué)界認(rèn)可度最高的主要起電機(jī)制，可進(jìn)一步細(xì)分為“非感應(yīng)起電機(jī)制”（如文中所述）、“感應(yīng)起電機(jī)制”（即在電場中被極化的不同粒子碰撞時，接觸部分發(fā)生異性電荷中和，彈開后各自攜帶凈余的正、負(fù)電荷）、“次生冰晶起電機(jī)制”等。已有觀測所揭示的雷電活動與云內(nèi)參量的關(guān)系，多支持這類起電機(jī)制在雷暴起電中的主導(dǎo)作用。

此外，學(xué)界對雷暴起電還提出過其他假說，例如粒子的破碎、凍結(jié)、融化起電機(jī)制，以及與晴天大氣電場中自由電荷有關(guān)的離子擴(kuò)散、離子捕獲機(jī)制等。

雷暴天氣很“暴躁”，但也有益

可能你會覺得，云、雨、電的愛恨糾結(jié)，在雷電發(fā)生的那一刻就已塵埃落定，但不為人熟知的是，雷電對大氣還有更影響深遠(yuǎn)的物理和化學(xué)作用。就全球大氣而言，在天氣晴的時候，電離層會往地球不斷釋放大氣電流，持續(xù)消耗電離層的“電能”，而雷暴和雷電則是維持電離層電位的重要“發(fā)電機(jī)”，它們通過雷暴云起電（直流）和雷電（交流）給電離層充電。

對流層雷電還能在幾十到上百公里高度的中層大氣激發(fā)紅色精靈等放電事件。中層大氣放電事件，是由對流層雷電所引發(fā)的一種瞬態(tài)發(fā)光現(xiàn)象，一般發(fā)生于40-90 km高空，具有紅色精靈（Red Sprite）、藍(lán)色噴流（Blue Jet）、巨大噴流（gigantic get）、淘氣精靈（Elves）、光暈（Halo）等多種形式。紅色精靈是最為常見的中層大氣放電事件，通常由強(qiáng)度較大的正極性云對地閃電所誘發(fā)。對流層雷電引發(fā)的放電能改變這些區(qū)域的溫度、電子密度等物理狀態(tài)，并可能威脅在該區(qū)域的臨近空間飛行器、浮艇等。與此同時，雷暴還是上部對流層大氣的“制冷空調(diào)”，并輸送水汽產(chǎn)生明顯的加濕作用。此外，雷電擊穿空氣的過程中，高溫高壓下氮?dú)夂脱鯕獗煌耆婋x，并進(jìn)一步形成氮氧化物L(fēng)NOx，這種氧化物是大地農(nóng)作物兩好的“肥料物質(zhì)”。所以，雷雨在灌溉大地的同時，還起到“施肥”的作用呢！而留在大氣中的氮氧化物，則作為全球氮循環(huán)的一部分，對氣候變化產(chǎn)生影響。

左：雷暴、雷電作為全球大氣電路發(fā)電機(jī)示意圖（圖片來源：Colin Price教授講義《The Global Atmospheric Electric Circuit》， https://www.tau.ac.il/~colin/courses/AtmosElec/Global%20Circuit2013.pdf）

右：發(fā)生于對流層的雷電激發(fā)中層大氣放電示意圖（圖片來源：Pasko, V. P., 2003, Atmos. physics: Electric jets, Nature, 423(6943), 927–929, doi:10.1038/423927a）

隨著研究的推進(jìn)，人們對云、雨、電在雷暴云中交織的眾多科學(xué)問題，正在逐步獲得較為透徹的理解和認(rèn)識，將雷電活動與雷暴天氣系統(tǒng)不同參量之間的定量關(guān)系（包括動力學(xué)參量，如水平、垂直方向上的風(fēng)向、風(fēng)速及其變化；微物理參量，如冰、雪、雹、過冷水、雨滴等的生消演變和分布狀態(tài)；降水量等），**應(yīng)用于數(shù)值模式中，**既可以對強(qiáng)對流、雷暴天氣進(jìn)行預(yù)警，也可以對雷電的發(fā)生潛勢等進(jìn)行預(yù)報，從而提高對雷暴災(zāi)害天氣的防御能力。

參考資料：

1. 郄秀書, 張其林, 袁鐵, 張廷龍 (2013), 雷電物理學(xué), 科學(xué)出版社, 北京.

2. Rakov, V. A., & Uman, M. A. (2003). Lightning: Physics and Effects. Cambridge University Press.

3. Williams, E. R. (2001), "The electrification of severe storms." Severe Convective Storms. American Meteorological Society, Boston, MA.

4. Pasko, V. P. (2003), Atmos. physics: Electric jets, Nature, 423(6943), 927–929, doi:10.1038/423927a.

5. 美國國家宇航局NASA網(wǎng)站資料：《The Hidden Life of Thunderstorms》

6. 講義《The Global Atmospheric Electric Circuit》by Colin Price.