雷暴云中的电荷分布：冰晶碰撞如何形成天地间电位差

雷暴云中的电荷分布是导致闪电等大气放电现象的核心机制，其中冰晶碰撞（非感应起电）是电荷分离的关键过程。这一过程最终在云与地之间形成巨大的电位差（可达上亿伏特），为闪电提供能量。以下是详细解释：

一、雷暴云中的电荷分布

典型的成熟雷暴云（积雨云）电荷分布为 "三极性结构"：

云顶（6-15km）：带正电荷（主要由冰晶和小冰粒组成）。 云中部（-10℃~-25℃层）：带负电荷（主要由霰粒和过冷水滴组成）。 云底（0℃层以下）：带弱正电荷（雨滴或融化中的冰粒）。

关键点：云中部的负电荷区（约-10℃至-25℃）是闪电的主要来源，其下方地面因静电感应形成正电荷。

二、冰晶碰撞的电荷分离机制

电荷分离的核心是 "霰粒-冰晶碰撞"（非感应起电），发生在云中过冷水滴、冰晶、霰粒共存的区域（约-10℃至-25℃）：

碰撞过程：

• 霰粒（Graupel）：表面温度接近0℃，由过冷水滴在冰核上冻结形成，表面较"暖"。
• 冰晶（Ice Crystals）：温度更低（<-15℃），结构更轻。
• 两者在上升/下沉气流中碰撞时，霰粒表面部分融化，形成薄水膜；冰晶则保持固态。

电子转移（温度梯度效应）：

• 碰撞瞬间，霰粒表面的水膜与冰晶接触时发生电子转移：
  • 温度较高的霰粒（带正电倾向）失去电子 → 带正电荷。
  • 温度较低的冰晶（带负电倾向）获得电子 → 带负电荷。
• 物理机制：高温物质中的自由电子更活跃，易迁移至低温物体（类似热电效应）。

重力分选：

• 较重的霰粒（带正电）因重力下沉至云中下部。
• 较轻的冰晶（带负电）被上升气流携带至云顶。
• 结果：云中部形成负电荷区，云顶形成正电荷区。

三、天地间电位差的形成

云中电荷分布：

• 云顶正电荷 → 云中部负电荷 → 云底弱正电荷。
• 主要负电荷区位于云中下部（约3-8km高度）。

地面感应电荷：

• 云中部的负电荷层（相当于"天花板"）排斥地面的电子，使其带正电荷（静电感应）。
• 地面正电荷集中在突出物体（树木、建筑物、避雷针）上。

电位差积累：

• 云地间形成垂直电场（典型强度：5000~15,000 V/m）。
• 随着电荷持续分离，电位差不断增大，可达1亿伏特以上。
• 临界条件：当电场强度超过空气的击穿阈值（约3×10⁶ V/m），触发闪电放电。

四、闪电：电位差的释放

当云地间电位差足够大时：

先导通道：云中负电荷向下延伸电离通道（梯级先导）。 回击：通道接近地面时，地面正电荷向上迎击，形成主放电（亮度极高）。 中和电荷：闪电瞬间释放能量，中和部分云地电荷。 总结

冰晶与霰粒的碰撞（温度梯度驱动电子转移）
→ 重力分选形成云中上正下负的电荷分布
→ 云底负电荷感应地面正电荷
→ 积累巨大电位差
→ 击穿空气形成闪电。

这一过程在强对流云中循环进行，直至电荷分布减弱或降水过程改变云内结构。