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閃電

大氣中的放電現象。常見於夏季的雷雨。雲和雲之間的放電現象占閃電的絕大多數,雲和地面之間的放電則會影響人類,對建築物和電器設備的危害極大,可安裝避雷針或避雷裝置來避免雷擊損害。雖然一般都把積雨雲與雷雨聯想在一起,但是熱帶地區的很多深對流積雨雲與雷雨並沒有相關,這其中的關鍵是牽涉到深對流積雨雲裡的起電以及電位產生過程。
積雨雲裡的起電過程主要是透過霰與冰晶在過冷水存在的區域裡的碰撞摩擦過程而產生。過冷水區域的產生是透過積雨雲裡旺盛的上升運動產生和維持,而電荷的分離是雲裡不同大小顆粒的重力差異產生。積雨雲的起電效率取決於每單位體積的積雨雲裡發生粒子與粒子間的碰撞摩擦效率。
一般缺少閃電的積雨雲的原因雲裡是缺少過冷水或是冰晶,對於熱帶地區的深對流雲而言,缺少冰晶粒子的情形是不太可能發生,因此缺少過冷水是熱帶海洋深對流雲無法產生閃電的主要原因。讓海洋性深對流雲無法形成是夠多過冷水數量的主因是海洋性深對流缺少熱帶陸地區域深對流的旺盛中層上衝流所致。由於缺乏旺盛的中層上衝流,使得熱帶海洋地區的深對流雲的特徵是低過冷水數量,高濃度的小冰晶粒子(<0.5mm),以及稀少的大冰晶粒子。
對流雲裡起電過程的必要條件是雲裡要存在著足夠多的雲水。當這些雲水被上衝流帶到高對流層的零下40°C區域時,這些被帶上來的雲水,一些是以過冷水的方式存在,一些則凝結形成冰晶。透過這些冰晶的成長而形成較大的冰晶,因受到重力作用而做下降運動,在通過過冷水濃度高的區域時,產生冰晶和過冷水的碰撞接觸。碰撞接觸使得過冷水在冰晶表面開始凝結而形成冰晶成長的過程,稱為霜化,進而形成更大顆粒的霰。因此,深對流雲裡此時同時存在較小顆粒的冰晶和較大顆粒的霰。透過雲裡的上衝流以及不同顆粒大小的粒子受到不同重力作用而產生的向下運動,這些雲裡冰晶和霰粒子晶的上上下下運動使得軟電和冰晶產生無數次的碰撞摩擦。
如果此時有豐富的雲水存在,霰會獲得冰晶上的負電荷而形成帶負電的粒子,冰晶因失去負電子而帶正電;若雲水較少,霰容易帶正電,冰晶則是帶負電。由於冰晶質量較輕,因此在上衝流持續的作用之下,較輕的冰晶粒子傾向於集中在對流雲的上層,至於較重的霰則會隨著重力下降的過程而逐漸的集中於對流雲的底部,使得對流雲的上層帶正電,而對流雲的底層帶負電,形成雲內部的電位差,還有雲底和地面的電位差。當電位差的值大到足以克服空氣的電阻值,產生放電的現象而形成閃電。倘若放電的現象是由雲對地的放電,稱為「雲對地閃電」;若發生在雲內部或雲與雲之間,稱為「雲間閃電」。
從以上的討論可得知積雨雲起電有兩個重要必要條件。對流雲裡存在著充份的雲水,以及對流雲裡旺盛的上衝流是積雨雲裡起電的必要條件。旺盛的上衝流將雲水帶到極低溫的高層而形成過冷水和冰晶粒子,冰晶粒子在豐富過冷水環境下的成長及其透過霜化過程形成較大且較重顆粒的軟雹是第二個重要的必要條件。
透過軟雹和冰晶粒子在對流雲裡上上下下運動過程中的碰撞摩擦作用使得軟雹獲得電子而帶負電,而冰晶因失去負電荷而帶正電。就是由於積雨雲裡這些無數次的軟雹和冰晶的碰撞摩擦過程,使得積雨雲開始起電。因此充份的雲水和持續旺盛的上衝流所帶來的過冷水、冰晶和軟雹是積雨雲起電的必要條件。
目前全球的閃電偵測主要可分為衛星閃電偵測和各個國家地區的地面閃電儀偵測兩種。衛星閃電偵測主要是由美國太空總署的熱帶地區降雨偵測任務(Tropical Rainfall Measuring Mission, TRMM)衛星上的閃電影像感應儀LIS和OTD所提供,而近地面的觀測儀器則有如北美閃電觀測網和我國由臺灣電力公司目前操作的TLDS全閃電偵測系統。衛星閃電偵測可提供全球熱帶地區閃電分佈的觀測資料,但是因為衛星繞行軌道的特性,因此衛星資料無法對單一的雷雨雲系統進行持續的追蹤觀測。地面的閃電偵測系統則能夠長時間的提供高解析度連續全閃電偵測資料,例如北美閃電觀測網的資料以及臺灣電力公司的IMPACT(第一代雲對地閃電偵電偵測系統)和TLDS(第二代全閃電偵測系統)皆提供豐富資料以瞭閃電在時間和空間上的變化情形。大氣的放電現象除了雲間和雲對地閃電之外,亦會發生雲頂向高層大氣放電的現象而生成紅色精靈和藍色精靈。紅色精靈(sprites)多發生於雷雨雲頂向電離層的放電現象,而藍色精靈(blue jets)則多為雷雨雲頂至平流層的放電現象。

撰稿者:王國英
最後修訂日期:98年09月24日
參考資料:
1 Rakov,V.A. and M.A. Uman. 2003. Lightning, New York: Cambridge University Press.
2 Doswell III, C.A. eds. 2001. Severe Convective Storms. Boston: American Meteorological Society.
3 Wallace, J.M. and P.V. Hobbs. 1977. Atmospheric Science: An Introductory Survey. Burlington, MA: Elsevier Academic Press.
4 Rogers,R.R. and M.K. Yau. 1989. A Short Course in Cloud Physics. New York: Pergamon Press.