SPACE SCHOOL

Houston Association for Space and Science Education.
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雷電

雷電經常發生在積雨雲中。而積雨雲通常發生在夏季午後,陸地被強烈陽光照射後,提高地面蒸發率,水氣被抬升後,向上發展成積雨雲,上升過程會凝結成小水滴、再凝固成冰晶,因為密度較大而下沉;而水氣不斷向上、冰晶向下,形成強烈對流,於是垂直發展出積雨雲。

在風雨交加,天空一片灰濛濛、連一點陽光都透不到地面,急雨傾盆而下,此時經常伴隨著閃電擊落、以及緊接而來的轟隆雷聲。那麼,大家有想過,雷電是怎麼來的嗎?

積雨雲(1)



當氣塊(parcel)因絕熱膨脹(冷卻)上升,水氣凝結成水滴、凝固成小冰晶與冰雹,而小冰晶與冰雹因為受到電離層對地面電壓的影響,形成正負電荷分離的現象;電離層橫跨上半部平流層、延伸到增溫層,其中的氣體受光獲得能量,處在電漿態(電子、離子、原子共存的狀態),我們可以想像,在雲層上方有一片帶正電的平板(電離層),因此雲層內部粒子會感應、電荷分離。

又因為積雨雲內對流旺盛,造成內部小冰晶與冰雹相互碰撞,使得小冰晶上端負電荷與冰雹下端正電荷中和。小冰晶因為重量輕而繼續上升,冰雹因為重量較重而繼續下落,造成雲內正負電荷分離。

冰晶雨冰雹的碰撞(2)



在無數次碰撞之後,小冰晶在雲層上端堆積正電荷,冰雹在雲層底端堆積負電荷。此時,地面因為積雨雲底部的負電荷,在接近地表處感應出正電荷,當兩者之間的電位差大到足以破壞空氣的絕緣性質,便會放電──電子會自雲底穿透空氣,擊落地面。

落雷(3)



那麼,雷電為什麼又能夠讓我們「看見」、「聽見」呢?

當電子穿過空氣時,會撞擊周圍空氣分子,碰撞時會將部分能量傳遞給空氣分子,造成空氣分子最外層電子躍遷至外層軌域(基態→激發態);但是激發態並不穩定,電子傾向回到原本的軌域、回復基態,因此當電子躍回原位時,會同時釋放光能。而這就是我們所看見的閃電。

波耳氫原子模型(4)

而閃電劈入空氣時,周圍區域因為吸收能量而產生熱膨脹,造成空氣疏密不一的現象──近閃電處空氣密度較小(熱)、遠閃電處空氣密度較大(冷),使空氣分子以縱波形式震動,與聲音的產生原理相同,於是,我們能聽見雷聲。

聲波(縱波)(5)

 



參考資料:

http://www.hokoon.edu.hk/Cloud/Cloud_Introduction.html http://pages.bangor.ac.uk/~oss006/meteorology/rainalevel.html

圖片來源:

[0] https://www.pinterest.com/pin/338966309429827245/

[1] http://www.lib.ncu.edu.tw/~hong/atmhmpg/sevr/cloudshr.htm 

[2] https://www.google.com.tw/search?q=ice+hail+crystal+positive+electricity&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwiDkPrg04PZAhUBTrwKHfYvCfQQ_AUICigB&biw=1077&bih=861#imgrc=Cn2PCWXGY2qC2M:

[3] http://pages.bangor.ac.uk/~oss006/meteorology/rainalevel.html

[4] http://www.wikiwand.com/zh-mo/%E9%87%8F%E5%AD%90%E5%8A%9B%E5%AD%B8%E5%85%A5%E9%96%80

[5] http://pansci.asia/archives/71260

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