风雨雷电怎么形成的?

风雨雷电怎么形成的?
风雨雷电怎么形成的?

风雨雷电怎么形成的?
那么,风雨雷电的真实成因可能是什么呢?我们知道,大气科学把大气层分为若干层,由地面向上依次为：对流层、平流层、中层,中层以上是热层,也即电离层,电离层以上是磁层．电离层、磁层主要由荷电粒子（电子、质子及各种原子离子、分子离子等）构成．但这只是一种人为的分层,它们之间并不存在截然的界限． 人们已经认识到,太阳辐射加热地面会引起空气自下而上的上升对流,却没有对太阳能量实际上是从大气顶层——磁层、电离层进入大气（自上而下）的这一事实给予足够的重视．而且,进入顶层大气的“原初”的太阳射线要比穿过大气层被大量吸收后到达地面的太阳射线能量强得多．太阳对顶层大气的加热同样能使顶层大气（磁层、电离层）向低层大气对流（相关证据见下文）,电离层中的等离子体受太阳自上而下的加热对流到低层大气后,由于低层大气电离度较低,电场较弱,使等离子体的复合率大于电离率,发生单体复合和集体复合,就形成了风雨雷电．此机制基本上可以解释所有的相关现象并与观测事实较好地相符． 为什么电离层中的等离子体对流到低层大气发生复合,就能产生风雨雷电等现象呢? 这里首先需要介绍一下等离子体的基本概念：等离子体是由带电粒子和中性粒子组成的一种表现出集体行为的准中性气体．[10]而且,“气体中只要有0.1%的分子被电离,就已经具有了等离子体的性质．”[11]就是说,等离子体是由少数带电粒子和多数中性粒子组成的气体． 按照等离子体物理学,除非在电场较强,能量较高的情况下,等离子体复合主要表现为分离复合（复合为原子离子或分子离子）外,一般情况下,等离子体将主要复合为中性粒子．大量的中性粒子就会结合形成或气体、或液体、或固体物质．因此,可以预料,等离子体复合的产物共有四种：1．气体物质；2．液体物质；3．固体物质；4．等离子体． 由于复合过程是电离的逆过程,物质发生电离时吸收的能量便会在复合过程中释放出来,所以复合过程是一个放能过程,这个过程会有大量能量释放出来． 等离子体复合为气体（氢、氧、氮等各种气体物质）时就会使空气增加,而这可能就是空气起源的源头,同时释放的巨大能量猛烈地推动空气运动,形成风暴（台风、龙卷风、飓风、飑风等）．等离子体单一地复合为气体时形成大风并可出现“干打雷,不下雨”的现象． 等离子体复合为液体（水或其他有机类或无机类液体如血雨、酸雨、黑雨等）时就形成降雨．现象表明,这个过程常常分为两个过程：第一个过程是等离子体发生单体复合（一对或若干对正负离子的复合）,这是一种随机复合,复合的结果是形成云、雾；第二个过程是：由于单体复合是不完全复合,复合后的云粒子仍带有正电荷或负电荷并形成电场,电场经过一定时间的演化,逐渐形成正电荷中心和负电荷中心,正电荷中心和负电荷中心在电场库仑力的作用下发生集体相互作用,当电场达到一定条件时,就会发生等离子体集体复合（这个过程包括化学过程,准确地说是等离子体条件下的特异化学反应）,集体复合速率极高,瞬间即可形成雨滴、雪花、冰雹．在某些特殊情况下,等离子体也常常不经过单体复合,而直接发生集体复合,从而形成“晴空暴雨”奇观．而这可能同时也就是地球之水和海洋湖河起源的源头． 猛烈的复合过程是在复合率超过电离率的临界点后突然发生的,所以会形成突发狂风和暴雨． 对于空间等离子体复合成水的认识,前苏联学者也曾提出：太阳风把由重粒子（质子）组成的微粒带到大气圈里来,这些微粒在大气圈中与电子结合时变为氢和氧的原子并形成分子．起初形成OH和HO2,它们之间相互反应或单独与氢作用时生成水分子,同时放热： OH＋H H2O（16卡/克分子） OH＋OH2 02＋H2O（70．8卡/克分子）[12] 等离子体复合为固体时,就形成冰雹、沙尘暴、鹅卵石、砾石等,而这也可能就是土壤、沙漠起源的源头． 等离子体复合的结果并不一定全是中性粒子,同时由于能量的猛烈释放,复合过程还会形成一部分等离子体并使一些中性粒子重新电离为等离子体,使这个过程循环演进,而使风暴、暴雨、尘暴得以长时间地维持．复合为等离子体的过程称为分离复合． 等离子体复合常常同时复合为气体、液体、固体、等离子体,如台风过程中,既有狂风,又有暴雨,雨水中有时还夹杂着冰雹、沙尘等．但在某些特殊条件下,也常常单一地复合为气体（形成风暴）、液体（降雨等）,固体（雪、霰、冰雹、沙尘暴等）．空间等离子体究竟会复合为什么形态的物质,可能取决于等离子体中的离子成分和电场状况． 闪电实质上即是一种“带有辐射的复合,一个正离子吸收一个电子变成一个激发原子并同时发射光子以带走剩余的能量,即： A+＋e→A*＋hυ （1） 这种过程是稀薄等离子体中的主要的复合过程,因此对天文等离子体非常重要． 另外还有三粒子碰撞的复合,一个正离子与两个电子同时碰撞,其中一个电子与离子结合组成一个激发原子,另一个电子带走剩余的能量,即： A+＋e＋e→A*＋e． （2） 在比较稠密的等离子体内它是主要的复合形式．（闪电中显然也存在这样的复合形式,所以将导线接入闪电区会观测到强电流．） 第三种情形是离解复合,一个带正电的分子离子吸收一个电子而变成一个激发分子,这个分子是非常不稳定的．它几乎立即离解为一个激发原子和一个中性原子,即： （AB）+＋e→(AB)* →A*＋B． (3) 其中剩余能量转化为离解碎片的动能；这种复合形式在电离层中经常出现．[13]这个过程将分子离子转化为原子,太阳辐射、宇宙射线又会将原子进一步电离为正离子、电子或质子、电子． 这就是说,闪电并不仅仅是正负电荷中心在电场达到一定强度后对空气的击穿放电,它的实质是正负离子在达到一定条件后发生的辐射复合．认识到这一点十分重要．雷电并不仅仅是一种电现象,闪电在本质上是空间等离子体的集体复合过程,电（磁）现象只是它的外在表象．尤其是使用“正负电荷中和”的概念产生了严重的误导,使人误认为正负电荷“中和”以后似乎都不存在、消失了．事实是,闪电过后虽然云中的带电粒子（电荷）减少了,但却有等量的中性物质（粒子）被产生出来了．这个十分重要的结果却被人们长期忽视了． 目前人类对闪电产生中性物质已有了初步的认识和实际的观测．如对闪电产生氮氧化物（NOX）的研究与观测． 周筠珺等利用NOX分析仪和大气平均电场仪在青海省大通县对雷暴天气过程中自然闪电产生的NOX进行了地面观测．分析结果表明,在雷暴天气过程中由于闪电的发生,会产生大量的NOX,……在雷暴天气中,闪电次数与NOX的平均体积混合比峰值个数相同,且峰值由闪电产生．[14]类似的观测结果证实了闪电（等离子体复合过程）产生中性物质的真实性． 所谓球状闪电,则可能是在一个等离子体复合单元中自然地达到了一种特殊电场条件,使等离子体的电离率与复合率接近平衡点（复合率仍稍高于电离率）,因而复合速率较低,故可以维持一定生存时间的等离子体复合现象． 事实上,此观点与现有理论是十分吻合的,只不过现有认识忽略了一些重要的细节,从而导致了认识上的差异．——人们常常把闪电解释为云中正负电荷发生“中和”而导致的．显而易见的是,所谓“电荷”并非是虚空的,而总是由离子（包括电子）携带的．因此,把闪电描述为“正负电荷发生中和”容易引起误解,会让人误认为似乎正负电荷“中和”之后就都消失了．正确的描述应该是：闪电是正负离子（等离子体）的复合过程．复合后的“电荷”（离子）并未消失,而是转变成了中性粒子．所以每一次闪电都必定有新的中性物质被“制造”出来．这种物质可以是气体（补充空气）,可以是液体（降雨）,也可以是固体（形成冰雹、沙尘、鹅卵石、砾石、雨花石、宝石等等）．对此人们尚缺乏足够的明确的认识． 空间等离子体的现代来源,主要是太阳辐射、宇宙线辐射对空气、地表物质的电离、离解作用．另外在火山爆发和强烈地震中,地表岩石、土壤也会由于巨大能量的释放而被电离．火山爆发时喷出岩浆,岩浆已有较高电离度,喷出的水蒸气、烟尘、火山灰等物质也有一部分被电离,所以火山喷发时会有大量元素离子进入大气．在强烈地震中,由于巨大能量的释放发生所谓“水土液化”,形成地震湖,在这样的过程中可能也有大量土壤或岩石被电离．电离后的一部分元素离子进入大气,在电场条件适当的时候又再次复合为沙尘（形成土壤）、鹅卵石、砾石等等． 太阳能量使地球物质不断地发生电离,被电离的等离子体又不断地发生复合,这个过程就创造了地球上的空气、水、土壤等等． 每一次的台风、飓风、龙卷风等等,都会有新的空气加入到大气层中,没有这种随时随地的补充,大气层可能不但无从产生,即便已经形成也早已散逸净尽了． 每一次的降雨、降雪等等,也都会有新的水加入到地球的江河湖海里来,没有这种不断的补充,海洋也可能不但无从产生,即便已经形成也早已蒸发净尽而干涸了． 每一次的沙尘暴,雨水中夹杂的沙尘,都在使土壤渐渐增厚,没有这种不断的洒落,土壤可能就不会出现,即使出现,也会很快被雨水冲刷到海洋中了． 地球上的物质就是这样不断地进行着新陈代谢,循环往复,从而展现出一个奇幻无比的多彩世界来．