冬天会打雷吗 【物理科普】为什么夏天下雨会打雷而冬天一般不会？

夏天，人们很容易看到雷声。众所周知，闪电是带电云之间或带电云与地面之间的放电现象。这是很常见的自然现象。带电云与地面之间的电压可高达106~108伏。如此高的电压往往会造成建筑物、树木、电气设备的损坏以及人畜的伤亡。人们想搞清楚雷雨云的电是怎么来的，甚至很多专家都无法解释清楚这种常见的自然现象，所以了解雷雨云的充电机制就显得非常重要。

国外有几种理论可以解释雷暴云的带电原理:

第一种是19世纪末由J. elster和H. Geitel提出的。他认为雨滴或冰雹等降水粒子在大气电场(如晴天电场)的作用下发生极化，导致上半部带负电，下半部带正电。因此，云滴或冰晶被降水粒子的下半部分反弹回来，会带走它们的一部分较低的正电荷。由于降水粒子快速下落，云滴和冰晶缓慢下落，造成重力分离。此时，云滴和冰晶(或仅一种)在云的上部形成正电荷中心，而降水粒子在云的下部形成负电荷中心。根据计算发现，冰晶在偏振冰雹上碰撞的反弹过程或云滴在偏振雨滴上碰撞的反弹过程都可以在雷暴云中产生起电。自20世纪70年代以来，这一理论得到了许多研究人员的发展。

第二种是由威尔逊在20世纪20年代提出的。他认为，当一个极化的雨滴降落在带有离子或带电云滴的云中时，如果雨滴降落在向下的电场中的速度快于电场中正离子的向下运动，雨滴就会排斥正离子并捕获负离子。这种选择性俘获过程被称为“离子选择性俘获的充电过程”，也称为“威尔逊机制”。根据计算，当云中的电场强度增加到一定程度时，这种选择性俘获过程就无法维持。一般只有电场强度小于10 kV/m时，才能发生这一过程。

第三种是E.J. workman和S.E. Reynolds在20世纪40年代提出的。他发现，当中性冰两端的温差保持稳定时，热端会出现剩余负电荷，冷端会出现剩余正电荷，从而导致两端存在一定的电位差。这就是“冰的热电效应”。所以两块温度不同的冰瞬间接触，温度高的会带负电荷，温度低的会带正电荷。热电效应解释了温度分布不均匀情况下冰的电荷分离现象，可以解释以下两种带电过程:一种是冰雹落在由过冷水滴和冰晶组成的冷云中时的带电过程。这时冰雹与大量过冷水滴碰撞，后者释放的冻结潜热使冰雹比冰晶更热。所以冰晶与冰雹接触反弹后，冰雹会带负电，冰晶根据热电效应带正电。重力分离后，云的上部是冰晶，下部是冰雹，所以云的正中心在上部，负中心在下部。另一个是磨砂和电气化。考虑到冰雹与冷云滴的碰撞，云滴冻结在冰雹表面(结霜现象)，形成内层温暖、外层寒冷的温度分布。根据热电效应，冷冻液滴外层带正电荷，内层带负电荷。由于内层冻结时的体积膨胀，使最初冻结的壳破裂，甩出一些小冰块(或小水滴)，带走正电荷，而剩下的冻结液滴体(冰雹)带负电荷。重力分离后，云的上部是小冰块或小水滴，形成正电荷中心，下部是冰雹，形成负电荷中心。

第四，19世纪末，p .伦纳德发现，当大水滴被气流吹散时，碎片带正电，而小碎片带负电。因此认为雨滴是被云底附近的上升气流吹起，使大碎片在云底附近形成二次正电荷中心，而小碎片被上升气流带起形成负电荷中心。

第五种是由b .冯内古特在20世纪50年代提出的，他认为云的对流运动对抗电场力，输送和聚集带电云滴和冰晶。向上的气流携带云底部的正离子进入云中，直到上部形成正电荷区域。由于高空传导电流，大量负离子来到云的上表面，附着在云滴或冰晶上(见地空电流)，然后被云周围强烈的向下流动带下来。云下负电荷增强地面电场，感应地面，产生尖端放电，从而产生更多的正离子。这种正反馈过程最终会造成雷暴云中的共同电荷分布，也称为对流起电。

在雷暴云中产生电荷并在空之间形成一定的分布是大气电学的重要内容之一。在20世纪，这位学者只翻译或参考外国理论，而没有在中国的原始解释。其实雷雨云的充电机制并不复杂。第一，雷雨云的充电与温度有关。夏天由于温度高，空空气中的水蒸气被太阳光的辐射电离，使得云层中存在大量的正负电荷。在风的作用下，在地磁场中沿东西方向运动时，会被地磁场的洛伦兹磁力所偏离。如果风向是从东向西，正电荷向下移动，负电荷向上移动。如果风向是从西向东，正电荷会被逼向相反的方向。所以风力越大，正负电荷积累越多，云与云之间的电压就越高。当带正电的云和带负电的云靠近时，会击穿空气体分子，引起电子流的定向运动，电流产生的热量会使空气体迅速膨胀爆炸，此时闪电伴随着雷声出现。

如果带电的云带正电，那么在接近地面的时候会吸引大量的电子在地面上，一开始会堆积在高楼或树上。因此，雷雨天气在高楼或树下避雨时经常会引起雷击。如果带电的云带负电，那么它们靠近地面时会排斥地面上的电子，使高楼或树木带正电。

由于不同地方的地理位置不同，带电云的形成主要是由于东西向的风力，这种风力是带电粒子在地磁场中切割磁力线并被磁力相互分离而形成的。这是一个非常简单的电气化原理。冬季由于太阳辐射较弱，不容易引起空气体中空气体分子电离。所以，即使冬天风大，冬天下雨(下雪)也不会打雷，除了部分路段。关键看空空气的电离程度。电离度越高，冬天可能会打雷。