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雷雨云起电与星体发光机制

已有 2693 次阅读 2022-11-22 16:47 |个人分类:雷雨云起电机制与星体发光机制|系统分类:论文交流

雷雨云起电与星体发光机制

地球大气中的低层是低电离的，高层是高电离的。大气中水粒子，尘埃粒子等中性粒子在热运动中与荷电粒子碰撞，捕获荷电粒子而起电。由离散分布的，与大气中荷电粒子混合中捕获荷电粒子而起电的大量水粒子，尘埃粒子等所汇聚成的云团，其荷电粒子空间数密度很高。地球内外部荷电粒子，遵循地球多重德拜球层(CMDS_地)分布的同时，云团中荷电粒子围绕荷负电的地表局部形成局域多重德拜球层分布，即异性荷电区相间分布。该局域多重德拜球层的相邻层间存在电场，并蓄有电能。扰动可引发相邻层间释电-伴生闪电，并导致相邻层减弱或消失。地表-云团之局域多重德拜球层的形成与其减弱或消失处于动态平衡中。本文提出的雷雨云起电理论，还涉及宇宙中星体发光机制。

介绍

低层大气电离源主要是，太阳硬x射线，宇宙射线以及放射性物质等。高层大气电离源主要是太阳紫外线，远紫外线，x射线，宇宙射线等（1）。因此，地球大气中的低层大气，即所谓的中性大气层，实为低电离大气层，而高层（电离层）为高电离大气层。因此，地球大气为近似等离子体或等离子体。换言之，在低层等离子体中中性粒子空间数密度很高，而高层等离子体中中性粒子空间数密度很低。地球大气中的中性粒子如水粒子，尘埃粒子等在热运动中与荷电粒子碰撞，捕获荷电粒子而起电。所以，大气中云团为荷电粒子空间数密度很高的等离子体团。荷电粒子遵循多重德拜球层分布（CMDS）。地球内外部荷电粒子遵循地球多重德拜球层（CMDS_地）分布，地壳位于CMDS_地的一个负电层中，地表荷负电。地球内外部荷电粒子，遵循地球多重德拜球层(CMDS_地)分布（2，3）。云团中荷电粒子围绕荷负电的地表形成局域多重德拜球层分布，即异性荷电区相间分布。

局域多重德拜球层的相邻层间存在电场，并蓄有电能。扰动可引发相邻层间释电-可伴生闪电，并导致相邻层减弱或消失。地表-云团之局域多重德拜球层的形成与其减弱或消失处于动态平衡中。

经典的雷雨云起电理论可解释一部分事实，但不完善（4-6）。本文提出的雷雨云起电理论，包括雷雨云起电机制与云中电荷分布规律，是普适的。它既适用于对地球大气中雷雨云，尘暴和火山喷发中闪电成因的解释，也适用于对其它行星大气中闪电和太阳大气中闪电-耀斑等成因的解释，还涉及到极光与太阳发光机制。

地球大气为等离子体

低层大气电离源主要是，太阳硬x射线，宇宙射线以及放射性物质等。高层大气电离源主要是太阳紫外线，远紫外线，x射线，宇宙射线等。因此，地球大气中的低层大气，即所谓的中性大气层，实为低电离大气层；而高层（电离层）为高电离大气层。所以，地球大气为近似等离子体或等离子体。

地球大气中水粒子与尘埃粒子等中性粒子的起电机制

图1.地球大气中水粒子，尘埃粒子等中性粒子捕获荷电粒子

水粒子，尘埃粒子等中性粒子，混合于地球大气的荷电粒子中。

红色：大气中荷正电粒子；蓝色：大气中荷负电粒子。

在中性粒子与荷电粒子共同热运动中，荷电粒子，可通过吸附或撞入中性粒子中等方式，与中性粒子结合在一起，从而实现中性粒子对荷电粒子的捕获。

地球大气中的中性粒子如水粒子，尘埃粒子等，混合于地球大气的荷电粒子中。同理或类似于胶体起电，在中性粒子与荷电粒子共同热运动中，荷电粒子，可通过吸附或撞入中性粒子中等方式，与中性粒子结合在一起，从而实现中性粒子对荷电粒子的捕获。由此，中性粒子起电，如图1.所示。

云团中电荷基本分布状态及其演化

图2A.云团中电荷基本分布状态（地表-云团之局域多重德拜球层）

在荷负电的地球表面的电场作用下，由于云团只是位于地表局部上空的一个物体或等离子体团，则云团中荷电粒子只能围绕地表局部形成地表-云团之局域多重德拜球层分布，云团中出现多个相间分布的异性荷电层区，其中最靠近地表的为荷正电层区。

图2B.经典理论中雷雨云中电荷分布的三极模式

雷雨云中的电状态雷雨云中电荷分布模式最先为雷雨云的电偶极子模式:雷雨云上部为中心高度6公里、半径2公里、含正电24库的区域,下部为中心高度3公里、半径1公里、含负电20库的区域,云底附近有一个中心高度1.5公里、半径0.5公里、含正电4库的区域(往往称为正电荷中心)。这是从雷雨云电场探空仪(G.C.辛普森在20世纪30～40年代利用尖端放电原理制成的)的数十次探测结果归纳出来的。尽管双(偶)极型模型得到大量观测的支持,但仍有一些地面电场测量,尤其是一些正地闪的观测结果却与这种偶极性电荷结构不一致,气球探及更多的地面测量还进一步揭示出在雷暴中部主负电荷区下部,有时还存在另一个小的正电荷区,称为LPC(lower positive charge center),这种电荷分布结构称为三极性电荷结构。该模型最初是由 Simpson和 Scrase(斯克拉西)l、 Simpson和 Robinson(罗宾逊)“提出作为双(偶)极型分布的改进和综合考虑。他们是利用气球探空,根据进入雷暴云内69个气的27次电晕电流测量分析得出的三极性电荷结构模型,即雷暴云上部为主正电荷区;中部存在一个主负电荷区:同时下部还存在一个较弱的正电荷区。

图2C.云团中基本电荷分布状态的演化

云团中多重德拜球层，即相间分布的异性荷电层区，可在扰动中，分解成离散的多个荷电小云团。其中同性荷电小云团仍分布在原所在层的位置附近。

图2D. 美国佛罗里达州、新墨西哥州夏季霍暴和日本冬季雷暴电荷分布模式

利用多站同步观测通过拟合闪电放电源得到的美国佛罗里达州和新墨西哥州夏季雷暴和日本冬季雷暴电荷分布经典模式。利用这种方法可得到与闪电放电有关的云内电荷分布。

1. 云是地球大气中水汽粒子或尘埃粒子等聚集形成的。

2. 在大气中离散分布的水汽粒子或尘埃粒子等形成云的过程中，电中性的水汽粒子或尘埃粒子等与大气中荷电粒子混合，并捕获荷电粒子而起（荷）电。因此，云团为空间荷电粒子数密度远高于周围大气的等离子体团。

3. 荷电粒子遵循多重德拜球层分布（CMDS）。地球内外部荷电粒子遵循地球多重德拜球层（CMDS_地）分布，地壳位于CMDS_地的一个负电层中，地表荷负电。

4. 地表上空中的云团，为只占据地球外围局部空间的一个高荷电粒子空间数密度的物体或等离子体团。在荷负电的地表的电场作用中，在地表局部上空的云团中荷电粒子围绕地表局部形成地表-云团之局域多重德拜球层分布，即多层或多极的相间分布的异性荷电区，如图2A所示。该局域多重德拜球层相邻层间存在电场，并蓄有电能。

5. 地表-云团之局域多重德拜球层相邻层间电场，可使相邻层间形成空槽或间隙。

6. 闪电：在地球大气中云团内或云地间一种短暂且强烈的释放电过程并伴随短暂且强烈的发光的现象。扰动，如对流，可引发地表-云团之局域多重德拜球层相邻层间释电-伴生闪电，释放电能。同时，扰动可使局域多重德拜球层中相邻层间隙加大，并可进一步使云团分解成离散的多个荷电小云团。在较弱扰动中，同性荷电小云团们依然徘徊或排列在原所在层的位置附近，如图2C所示。

7. 较强扰动，可引发局域多重德拜球层相邻层间较强释电-伴生较强闪电；同时较强扰动，可使云团中多重德拜球层分解成离散的小荷电云团，而且还使小荷电云团中异性荷电小云团之间充分混合。异性荷电小云团之间可产生释电-伴生闪电；荷电小云团可与地表之间产生释电-伴生闪电。小异性荷电的小云团之间释电和荷电小云团与地表之间的释电，实际上仍归属于地表-云团之局域多重德拜球层相邻层间释电。

8. 扰动越强，云团中闪电活动以及云地间闪电活动越强。

9. 地表-云团之局域多重德拜球层的形成-电能在相邻层间蓄存，与地表-云团之局域多重德拜球层的减弱或消失-相邻层间电能的释放，两者可（近）同时发生。

10.地表-云团之局域多重德拜球层的形成与其减弱或消失处于动态平衡中，从云团出现一

直到其消失。

11.经典雷雨云起电理论中的云中电荷分布状态的三极模式，如图2B所示，视为图2A的一个简缩版。

12.当云团上部出现负电荷区域时，用经典理论对其解释会遇到困阻，而用图2A所示的地表-云团之局域多重德拜球层来解释顺畅自然。

13.近年来，通过多站同步大规模观测得到云内电荷分布状态，如美国佛罗里达州、新墨西哥州夏季霍暴和日本冬季雷暴电荷分布模式，如图2D所示。这可视为图2C的高度近似版，或具体表达版，尤其日本冬季雷暴电荷分布模式。

14. 依据13，也反映出地球大气始终处于运动中，大气中云团总处于扰动中。实际云团中多重德拜球层分布中的每个荷电层，可由多个离散的荷电小云团排成。每排中有多个同性荷电的小云团，异性荷电排近平行相间分布。

火山喷发中闪电产生机制

1. 火山喷发时，从地下喷出的大量水汽粒子和火山灰粒子，它们与地球大气中荷电粒子混合，并捕获大气中荷电粒子而起（荷）电。因此，火山喷发物在地球大气中所形成的云团为荷电粒子空间数密度远高于周围大气的等离子体团。

2. 火山喷发物形成的云团在荷负电的地表的电场作用下，围绕局部地表形成地表-云团之局域多重德拜球层，相邻层间蓄有电能。

3. 扰动，如后续喷发物的冲击，可引发地表-云团之局域多重德拜球层相邻层间释电-伴生闪电，或云团中多重德拜球层中某些层分离成离散的小荷电云团，异性荷电云团之间释电-伴生闪电，小荷电云团也可与地表之间释电-伴生闪电（7）。

尘暴中闪电产生机制

1. 被强风扬起的大量尘埃粒子汇聚成云团，即尘暴。在地球尘暴中存在闪电，在火星的尘暴中也存在闪电（8，9）。

2. 尘埃粒子与行星大气中荷电粒子混合，捕获荷电粒子而起（荷）电。

3. 尘埃云团为荷电粒子空间数密度远高于周围大气的等离子体团。

4. 尘埃云团在负荷电的地球表面的电场作用下，围绕地表局部形成地表-云团之局域多重德拜球层，相邻层间蓄有电能。

5. 扰动，如气流变化，可引发地表-云团之局域多重德拜球层相邻层间释电-伴生闪电，或云团中多重德拜球层中某些层分离成小荷电云团，在这些小荷电云团中，异性荷电云团之间释电-伴生闪电。这些小荷电云团也可与地表之间释电-伴生闪电。

6. 太阳耀斑产生机制

图3.太阳多重德拜球层（CMDS_日）示意图

太阳中心即日核，那里的等离子体处于高温高压状态中。因带负电的电子的热速率远高于带正电的离子的热速率，导致电子的扩散率远高于正离子的扩散率。故在日核形成（净）正电区，而在其外围形成球层状（净）负电区。该球层状负电区继续对外电场作用，在其外围生成一个球层状正电区，该球层状正电区继续对外电场作用，在其外围生成一个球层状负电区，…,太阳多重德拜球层（CMDS_日）生成，亦即太阳系的多重德拜球层生成。CMDS_日中相邻层荷等量异号电荷。其中，日核—（+）层，日核外围—（-）层，…，光球—（+）层，日冕—（-）层，小行星带—（+）层，库伯带（柯依伯带）—(-)层，奥尔特云—（+）层，…，无限。内行星(水星，金星，地球和火星)在相邻层间CMDS_日⁺_-中，而外行星（木星，土星，天王星和天王星）在相邻层间CMDS_日^-₊中。