閃電如何形成?

作者:林宜萩 | 《國家實驗研究院-台灣颱風洪水研究中心》助理研究員

   曾敏端 | 《國立臺灣大學大氣科學系》研究生

根據統計,台灣地區每年約有3~4人受到雷殛(因雷擊而死亡),受傷的人數則為數十倍(陳與洪,2015)。最近午後熱對流旺盛,各地因閃電而造成的意外頻傳,台灣有不少民眾在室外工作時因雷擊而受傷甚至死亡,而閃電究竟是如何形成的?

閃電的形成需要經過雷暴(thunderstorm)的過程;一般來說,積雨雲是閃電生成的最佳場所,雲內需先產生帶電的機制,閃電才有機會發生。雷暴在積雨雲中電場的結構是上層帶正電,中下層帶負電,接近雲底的地方則帶一點正電(圖1)。為什麼會形成這樣的結構分布?早期科學家認為是因為「對流帶電機制」,指的是空氣中原本就存在離子,正的離子會被上升氣流帶進雲內,傳至雲頂;在雲頂會感應一些負電再被雲周圍下沈氣流往下傳輸。但因為空氣中原有的離子濃度過低,被帶進雲後被分化的現象亦不明顯,這個機制後來被認為是不正確的。

另一個目前被認為較為合理的雲電極化機制是「微物理帶電機制」,使得雲內大小粒子所帶的電荷不同,其中較大的冰雹粒子帶負電往下,而小的冰晶粒子帶正電往上。怎樣的微物理過程,能造成電荷分離使大小不同的粒子帶不同的電荷?科學們提出的微物理機制高達十多種(圖2),但目前仍無法確定何者才是最主要的。其中幾個個可能的機制是,冰晶邊緣生長時潛熱釋放造成內外層的溫度梯度導致氫離子游動差異,或者因為冰雹收集的過冷水結冰時正負離子納入冰晶的效率差異,使得冰晶中央與邊緣具有不同電性,例如外圍帶正電,內部帶負電;當被其他小冰晶撞擊時,就可將外圍的電荷帶走。此外,對流雲內在大約-5~-8oC區域有過冷水滴與軟雹之間頻繁的碰撞過程,過冷水會在軟雹表面上結冰並裂開形成冰屑脫離,這冰屑也會帶正電荷,並被上升氣流帶往上層雲頂的區域,而帶負電的冰雹則往下落,形成對流雲主要的上正下負的電場結構。在這個上正下負的基礎之下,落至雲層底部的大雨滴因為撞擊或受到空氣阻力造成變形而破碎,也會形成帶正電的母雨滴(圖2中C)繼續下沉,以及帶負電的碎雨滴被氣流往上帶。多種機制運作下,使得觀測到的對流雲內電荷常常不是雙極分布,而有正負正的三極結構。

圖1: 雷暴中的電荷分布 (摘自Natural Resources Canada: http://www.nrcan.gc.ca/forests/fire-insects-disturbances/fire/13147 )
圖1: 雷暴中的電荷分布 (摘自Natural Resources Canada:
http://www.nrcan.gc.ca/forests/fire-insects-disturbances/fire/13147 )

圖2-1: 雲內電荷分離之微物理機制 (摘自 Pruppacher and Klett [1997])
圖2-1: 雲內電荷分離之微物理機制 (摘自 Pruppacher and Klett [1997])
圖2-2: 雲內電荷分離之微物理機制 (摘自 Pruppacher and Klett [1997])
圖2-2: 雲內電荷分離之微物理機制 (摘自 Pruppacher and Klett [1997])
單是雲內的電荷分離,尚無法產生閃電。閃電是在雲內電場梯度累積至一定程度後,突破空氣的絕緣度,才會劇烈放電。閃電放電過程不只有雷暴中的雲對地閃電(Cloud to (Read more...)

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