云内电荷分离之谜：冰晶与霰粒碰撞如何产生正负电场

云内电荷分离，特别是冰晶与霰粒碰撞产生电场的机制，是解释雷暴云起电（导致闪电）的核心理论之一。这个过程被称为 “非感应起电机制”（Non-inductive Charging Mechanism, NIC），其关键在于两种冰相粒子（冰晶和霰粒）在特定温度、湿度条件下碰撞时，电荷会发生定向转移，导致冰晶带正电、霰粒带负电（或在一定条件下反转）。

以下是该过程的详细解释：

1. 背景：雷暴云中的电荷分布

典型的雷暴云中，电荷呈三极分布：

• 上部（冷区）： 正电荷区（主要由冰晶、小冰粒子携带）。
• 中部（较暖区）： 负电荷区（主要由霰粒、冰雹携带）。
• 下部（暖区）： 正电荷区（主要由雨滴、暖云过程携带）。

电荷分离主要发生在 −40°C 至 0°C 的混合相区域（冰晶、过冷水滴、霰粒共存）。

2. 关键参与者

• 冰晶（Ice Crystals）： 细小、轻，易被上升气流托起。
• 霰粒（Graupel）： 由冰雹胚胎或雪粒吸附过冷水滴形成，表面粗糙，较重，易下沉。

3. 电荷分离的步骤

当冰晶与霰粒在云中碰撞时，电荷转移通过以下物理过程实现：

(1) 碰撞与接触

冰晶与霰粒因湍流或重力差异发生碰撞，在微观尺度上短暂接触（微秒级）。

(2) 温度梯度驱动的离子转移

电荷转移的关键在于两种粒子表面的 温度差异 和 相变（冰-水）：

• 霰粒：表面温度较高（因下落摩擦或吸附液态水释放潜热）。
• 冰晶：温度较低（处于较冷环境）。

由于温度梯度，接触点会发生：

• 优先升华/凝华：冰晶表面水分子向霰粒迁移（因霰粒温度高，水汽压更高）。
• 离子选择性转移：水分子中的 氢离子（H⁺） 比 氢氧根离子（OH⁻） 更易在冰晶表面迁移（因冰晶晶格缺陷）。
  • 低温侧（冰晶）：失去 H⁺ 后带 负电？
  • 高温侧（霰粒）：获得 H⁺ 带 正电？

⚠️ 矛盾点：实际观测显示霰粒带负电！

(3) 电荷转移的“反转温度”理论

实验发现，电荷转移方向与温度密切相关：

• 低于临界温度（约 −15°C）：
  • 冰晶碰撞后带 正电（失去电子或负离子）。
  • 霰粒带 负电（获得电子或负离子）。
• 高于临界温度（约 −10°C）：
  • 电荷转移方向反转 → 霰粒带正电，冰晶带负电。

机制修正：
在低温下，霰粒表面可能存在 准液态层（QLL），其中 OH⁻ 离子 更易向高温区（霰粒）迁移，导致霰粒获得负电荷（OH⁻），冰晶带正电。

4. 电荷分离的增强机制

• 粒子大小差异：小冰晶被上升气流带至云顶（正电荷区），大霰粒下沉至中部（负电荷区）。
• 电场正反馈：初始弱电场 → 增强电荷分离 → 电场进一步增强（直至击穿放电）。

5. 实验证据与模型

• 实验室模拟：风洞中冰晶与霰粒碰撞，证实温度依赖的电荷转移（如 Saunders et al., 1991）。
• 数值模型：结合云动力学、微物理和电学过程，重现雷暴电荷结构（如 WRF-Electrification 模型）。

6. 未解之谜与挑战

• 微观机制争议：H⁺/OH⁻ 转移 vs. 电子转移 vs. 表面态理论。
• 环境依赖性：液态水含量、粒子形状、碰撞速度的影响。
• 反转温度为何是 −15°C？ 可能与冰晶表面缺陷能级有关。

7. 应用意义

理解该机制可改进：

• 雷暴预警（闪电概率预报）。
• 人工影响天气（如防雹、消闪电）。

总结

冰晶与霰粒的电荷分离是 温度梯度驱动离子迁移 的微观物理过程，在雷暴云中通过 粒子尺度分选 形成宏观电场，最终导致闪电。尽管机制仍有细节争议，但温度依赖的电荷转移是解释雷暴起电的核心理论。