雷暴:空中之电

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  雷暴诞生于积雨云之中,常伴随暖湿空气上升、凝结、蒸发以及冷空气下沉等现象,从而导致强降水、阵风、闪电和雷声,来势汹汹,令人难忘。现在让我们仔细地看看是什么支配着雷暴现象,以及雷暴活动带来的一系列后果。

1. 什么是雷暴?

环境百科全书-雷暴-云朵
图1. 一朵作为对流单体的积雨云图,其上升流存在于云体中心,顶部为云砧。[图源:斯福蒂斯,2009年6月]

  一个对流单体便可构成最简单的雷暴结构,雷暴云体中心空气团上升,外沿空气团下沉,由此形成的云体即为积雨云。积雨云垂直向上延伸直至对流层顶,垂直尺度可达10-15公里(请参阅地球的大气层和气体层),状似蘑菇(如图1所示)。蘑菇状云体底部为上升气流,顶部由于空气在对流层顶水平向外辐散而形成云砧。由对流单体构成的积雨云(图1)尺度较小,但典型云砧的长度通常可达到10公里。积雨云有时由多单体构成,内含多组上升与下沉气流,其水平尺度可超过100公里,但其中每个单体仍然遵循各自的动力机制及演化过程。

环境百科全书-雷暴-飓风
图2. 飑线,多单体雷暴的云砧规模非常大,a)飑线的照片[图源:美国国家海洋和大气管理局,2012年6月],b)德克萨斯州和墨西哥上方的飑线的雷达图像[©美国国家海洋和大气管理局,2012年3月]。图2b中的颜色表示雷达反射率,可表示降雨强度,黄色和红色代表降水更强。

  图2所示系统为飑线,由几个并列的对流单体[1]组成。除此之外,对流结构还可构成其它系统。如气旋(请参阅热带气旋:发展和结构)从温暖的海表中获取能量,形成气旋性环流结构,云团中水汽凝结使其对流结构变得清晰可见。

2. 雷暴如何演变?

  大气低层空气混合运动较为剧烈,空气团在湍流的作用下上下混合。气团在积雨云上升运动过程中大气压随着环境大气压的越来越低而降低(请参阅地球的大气层和气体层)。由于气团鲜少与环境进行热量交换,所以其在绝热降压过程中逐渐冷却(链接到文章“热力学和熵”),趋于水汽凝结所需的温压条件。除此之外,相态变化需凝结核(气溶胶或已经形成的小水滴)的参与,干燥大气的主要成分为氮气和氧气分子,水分子最初分散氮分子和氧分子之间,在凝结核的作用下,水分子聚集在凝结核周围,凝结成云,该过程常发生于上升运动伊始几百米范围内。温度低于0℃的高空,水汽可直接凝华为冰晶,但液滴仍可能保持为液态,称之为过冷状态。过冷状态接近-40℃。

  蒸发过程导致环境冷却,凝结过程与之相反,凝结过程可释放潜热。对流层垂直温度递减率平均约为每公里下降6.5℃(请参阅地球的大气层和气体层),而积雨云上升气流中,垂直温度递减率仅为每公里下降5℃。因此上升气流比其周边环境更暖且更轻。根据阿基米德浮力定律,空气将持续上升至与周围环境空气密度一致的高度。这便是积雨云可垂直上升至10或15公里高空,直至对流层顶的缘由。平流层具有更高的温度,因而空气质量更轻,所以当上升气流到达该处时,便会遭受负浮力作用,制约其垂直发展。与此同时下部气流仍在持续上升,因而导致云顶水平扩散,形成如图1所示的云砧。厚实的云层反射并吸收了大量太阳光,从而减少了到达地球表面的太阳辐射量,因此积雨云略显黑暗[2](请参阅天空的颜色)。

  对流伊始,小水滴因其下降速度不敌上升气流速度,将保持上升或悬浮状态。而大且重的水滴则会在运动过程中碰撞合并小水滴,从而下降并形成降雨。较大的冰晶也会由相似的过程形成雪花,下落至0℃以上的高度时,便会重新回到液态。冰雹则是通过冰体和过冷水滴之间的反复碰撞冻结形成。部分冰雹在对流环流中可历经多次循环,到达温度低于-40℃的对流层上层时冻结为冰,下落至低层后部分再融化为水,导致其内部结构状似洋葱皮。

  在4到8公里高度的对流层中部,空气较为干燥,当雷暴云团外围的降水经过该环境时,二者之间将会发生相互作用。干燥的空气导致下降水滴部分蒸发,下降水滴蒸发冷却环境空气并拖曳周围空气,形成冷而重的下降气流,即不饱和下降[3](图3)。下降气流到达地面后,随即发生水平运动,该现象被称为密度流。这些密度流可产生迅猛的阵风,可作为风暴来临的预警信号。如图3所示,冷而重的气团在水平运动过程中可举起低层潜在不稳定空气团,触发新的上升运动趋势。密度流促使其下游出现新的上升运动趋势,即为雷暴传播的方式。当雷暴云周围风场强度及垂直风切变较大时,雷暴环流表现为明显的涡旋特征,可催生龙卷风(见龙卷风,强大的毁灭性漩涡)。

3. 雷暴条件

  理解了雷暴演变过程,便可推知有利于其发展的条件。在低层大气中,密度流中的阵风,海风以及山脉等皆可作为上升运动的触发机制,进而触发雷暴。

  空气团被强迫抬升后,由于上升气流温度较环境更高,因此密度较环境更低,使得大气具备不稳定垂直结构,得以维持其继续上升。在实际大气环境中,近地表的空气受到加热作用时往往会导致大气不稳定结构,尤其是阳光加热作用。这即是大陆上阳光明媚的夏天风暴频发的缘由。此外,上升气流凝结成云的前提是其中包含充足的水分,液滴和冰晶在凝结中释放潜热。

4. 闪电和雷

  闪电是雷暴最广为人知的光现象。闪电由空气电离产生,其机制总结如下[4]。冰粒子之间的碰撞伴随着电荷交换,其极性取决于环境温度。温度低于-15℃的环境中,小粒子(冰晶)携带正电荷,大粒子(霰或冰球)携带负电荷。温度高于-15℃的环境中,极性则会逆转,小晶体携带负电荷,大粒子携带正电荷。小晶体被上升气流输送至高空,而大晶体下落至低层,电荷逐渐沉降。因此雷暴云整体电结构本质上为双极,负极存在温度介于-15到-40℃之间的风暴中心,正极存在于温度低于-40℃的雷暴云顶部。部分雷暴云在温度高于-15℃的云底另有一个次生正极,此时雷暴云整体电结构为三极。

  电荷逐步分离促进云中电场不断增强,每米最高电压可达100千伏(100千伏/米)。由于电场具有排水性,主动绕过空气中的水汽凝结体(液态水滴或冰粒),并其在附近加强,场景如同车道上的障碍物导致车辆堆积一般。当电压超过数百千伏/米时,空气便会产生局部导电性,从水汽凝结体的末端自发形成携带电荷的小火花。即日冕效应[5]或峰值效应。该现象在诸多事件中皆有体现,如圣埃尔莫火灾,以及暴风雨天气中桅杆或机翼末端常见小型放电现象。

  小火花分叉为数个长约几米的前导闪接,仅几微秒的时间内便可在云层中跳跃数百米。随着火花四溅,可显现出多分叉的闪电形状。当携带有极性相反的电荷的前导彼此相遇时,电荷被迅速中和,随即产生强电流,流过导电通道,使其温度高达10000℃。导电通道发出炫目的光,并在无线电波波段发出强辐射。急剧升温导致空气膨胀,其速度较声速更大,因而如同飞机穿过声障而激发爆炸一般产生冲击波。冲击波的传播类似于声波,通常被称为雷声。声速为340米/秒,比光速慢100万倍,闪电发生的距离D可由目视闪电和听闻雷声之间的时间差T估计,D(km)≈T(s)/3。

  能量较为充足的前导闪接可继续从云中迅速传播,通过峰值效应导致其前端电场加强。在地表,各种尖锐的固定场地(树木、建筑物、山峰、甚至雨伞、高尔夫球杆或冰轴等)亦可产生相同的火花和前导闪接。地表发展的火花和前导闪接向上发展,与来自云体的前导闪接相遇时,雷暴与地面携带的电荷彼此中和,便激发云对地闪电,该类闪电常见于埃菲尔铁塔顶端或山顶十字架。无论是云内部,抑或是云与地表之间,电荷皆难以完全中和。导电通道可继续发生中和作用,重复多达10余次,该过程的产物即为返回弧,其总持续时间不到一秒,其光束夺人耳目,肉眼便可观测。

  闪电可被视为电传导通道,长度范围从100米到10公里,宽约几厘米。其两端电位差约几千万伏特,流过其间的电流强度可超过一千安培,瞬时功率平均为100亿至1000亿瓦(千瓦),远大于核反应堆瞬时功率。但是,闪电持续时间较短(十分之几秒),且在空间和时间上难以捕捉,所以通过雷暴产生电力来解决能源问题的梦想终究难以实现。

环境百科全书-雷暴-风暴结构
图3. 风暴结构的综合图,其中体现了能够催生新上升气流并推动雷暴向左传播的阵风。
Cumulonimbus 积雨云 condensation 凝结 propagation 传播 gusty winds阵风 re-evaporation 再蒸发

  除闪电外,雷暴可产生另一短暂的光现象,该现场鲜为人知,却撼人心魄。该现象出现于云层之上,因此从地面上难以窥得其貌。瞬态光现象[6][7](图4)往往发生于大气平流层和中间层之间,20到100公里及以上高度的距离,其研究历史仅约20年。强雷暴顶部的正放电使得高空稀薄大气发生电离,并逐渐向上传播,上传过程中辐散增强,所以其色彩常为美丽的红橙色、蓝绿色以及靛蓝色,形状似光盘、光晕、水母或光束,以往飞行员和宇航员的观测记录中曾有提及该现象,并赋予其充满诗意的名称,如精灵、空气精灵、调皮鬼或蓝色急流等等。目前CNES塔拉尼斯航天任务[8]计划于2020年开始执行,旨在通过多个波段对该罕为人知现象进行详细观察。

环境百科全书-雷暴-急流
图4. 雷暴事件中在平流层和中层瞬态光现象示意图。从上到下,依次为精灵——即红色光环、矮妖——即悬挂朝向地球的红色小精灵、一道从对流层向上指向平流层的蓝色急流,以及对流层云与地面之间的闪电。[图源:美国国家海洋和大气管理局]
Elf精灵 sprite矮妖 blue jet蓝色急流 lightning闪电 thermosphere热层 mesosphere中层 stratosphere平流层 troposphere对流层 altitude 海拔高度

5. 风暴与大气的相互作用

  在热带辐合带(ICTZ)(请参阅大气环流信风的关键作用)等区域,对流积雨云水平尺度可达几百公里。云的周边则是晴空,于是空气向外发出红外辐射(链接到文章热辐射),并且因失去能量而逐渐冷却,从而以小于1cm/s的速度下降。相比之下,雷暴中部上升运动速度高达30m/s[9](图5)。

环境百科全书-雷暴-气流
图5. 雷暴在热带环流中的作用。广阔的上升区包括盛行下沉气流的晴空区以及盛行上升气流的雷暴区。在风暴中,水汽凝结释放潜热加热空气,致使空气柱的密度变小,导致底层大规模辐合运动。
Large scale convergence大尺度辐合 convective updraft对流上升运动 latent heat release潜热释放 subsiden of clear sky晴空区下沉运动 subtropical zone副热带地区 intertropical convergence zone热带辐合带 subsiden of Large scale大尺度下沉运动 updraft of Large scale大尺度上升运动

  风暴和大尺度大气环流彼此之间存在放大效应,即正反馈[10]。大尺度上升气流有助于雷暴形成。雷暴形成后其释放潜热有助于使空气柱变轻,从而降低气压,促进大尺度气流辐合(图5)。因此对流活动通常呈现出以大尺度、集群的形式。

  雷暴对大气中能量和水汽输送也起着重要作用。雷暴通过释放潜热加热高空空气,通过部分雨水蒸发冷却下层空气。因此,雷暴有助于大气形成稳定的垂直温度结构。在对流云砧中,水汽和上层空气中的部分冰晶被挤出云体,使对流层上部和平流层下部更为湿润。平流层的湿度在温室效应和臭氧层的平衡中起着重要的作用。

 


参考资料及说明

封面图片:阿兰·赫劳特,潜水员(www.diverticimes.com)

[1] Houze RA. (1977). Structure and dynamics of a tropical squall line system. My. Weather Rev. 105: 15401567.

[2] Craig F. Bohren (1997). Les nuages noirs, La Météorologie, 19: 49-51.

[3] Zipser, E. J. (1977). Mesoscale and convective-scale downdrafts as distinct components of squall-line structure. Monthly

Weather Review, 105(12), 1568-1589.

[4] Roux, F. (1991). Thunderstorms. Editions Payot.

[5] https://wikipedia.org/wiki/Effet_corona

[6] Soula, S. and van der Velde, O. (2009) Transient light phenomena over storms: observation and production conditions.

Meteorology, 64:20-31.

[7] Soula, S., Huet, P., van der Velde, O., Montanya, J., Barthe, B. and Bór, J. (2012). Of the jand giant ones above an isolated

storm near Reunion Island. Meteorology, 77:30-40.

[8] https://taranis.cnes.fr/

[9] Emanuel, K. A., David Neelin, J., & Bretherton, C. S. (1994). On large-scale circulations in convecting atmospheres. Quarterly

Journal of the Royal Meteorological Society, 120(519), 1111-1143

[10] Risi, C. and Duvel, J.-P. (2014). The omadden-Julian scillation, the main mode of intra-seasonal variability in the tropics.

Meteorology, 86: 57-65.


译者:许高洁              编审:谭吉华               责任编辑:胡玉娇


环境百科全书由环境和能源百科全书协会出版 (www.a3e.fr),该协会与格勒诺布尔阿尔卑斯大学和格勒诺布尔INP有合同关系,并由法国科学院赞助。

引用这篇文章: RISI Camille, ROUX Frank (2022), 雷暴:空中之电, 环境百科全书,[在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/air-zh/thunderstorms-electricity-in-the-air/.

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