雷雨云帶電的新理論及三個(gè)推論

田原++成海柱

文章編號(hào)：2095-6835（2016）17-0043-01

摘 要：自然界中的臭氧層大多分布在離地15 000～50 000 m的高空。臭氧層中的臭氧主要是由<200 nm的紫外線生成的。類似臭氧層，雷雨云大多分布在1 000～10 000 m的高空。在這個(gè)高度，應(yīng)存在微量的能將水蒸汽光解的紫外線（從分子鍵能的角度分析，約為258 nm）。討論了雷雨云中水分子的氫氧鍵被紫外線破壞后可能發(fā)生的現(xiàn)象，介紹了目前已經(jīng)得出的相關(guān)觀測(cè)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：紫外線；氫氣；雙氧水；雷雨云

中圖分類號(hào)：P482 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.17.043

目前，世界上關(guān)于雷雨云的帶電原理問題的學(xué)說有十幾種之多，主流的有以下4種：①水滴破裂效應(yīng)。云中水滴在高速氣流中作激烈運(yùn)動(dòng)，分裂成一些帶負(fù)電的較大顆粒和帶正電的較小顆粒，后者同時(shí)被上升氣流攜帶到高空，前者落在低空。這樣正、負(fù)兩種電荷便在云層中被分離，進(jìn)而造成90%的云層下部帶負(fù)電。②吸電荷效應(yīng)。由于受到宇宙射線或其他電離作用，大氣中存在正、負(fù)離子，又因空間存在電場(chǎng)，在電場(chǎng)力的作用下，正、負(fù)離子在云的上、下層分別積累，進(jìn)而使雷雨云帶電，又稱為感應(yīng)起電。③水滴凍冰效應(yīng)。水滴在結(jié)冰過程中會(huì)產(chǎn)生電荷，冰晶帶正電荷，水帶負(fù)電荷。當(dāng)上升氣流將冰晶上的水分帶走時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致電荷的分離，進(jìn)而使雷雨云帶電。④溫差起電效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)證明了在冰塊中存在正離子（H+）和負(fù)離子（OH-）。當(dāng)在溫度發(fā)生變化時(shí)，離子發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)并相互分離。積雨云中的冰晶和雹粒在對(duì)流的碰撞和摩擦運(yùn)動(dòng)中會(huì)造成溫度差異，并因溫差起電，帶電的離子又因重力和天氣的作用而分離擴(kuò)散，最后達(dá)到一定的動(dòng)態(tài)平衡。

至于雷雨云帶電到底是因哪種效應(yīng)或因多種效應(yīng)的共同作用而產(chǎn)生的，科學(xué)界尚無定論，且分歧很大。目前，科學(xué)界中的多種解釋雷雨云帶電的理論都是從物理角度入手解釋的，而筆者是從光化學(xué)反應(yīng)入手來解釋這個(gè)物理現(xiàn)象的，具體觀點(diǎn)為：雷雨云帶電是因高空中的云受到<258 nm的紫外線照射發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的物理現(xiàn)象。

本文從雷雨云層與臭氧層的相似性談起，依據(jù)光解水制氫實(shí)驗(yàn)?zāi)嫱?，根?jù)已經(jīng)明確的數(shù)據(jù)分析了雷雨云層是如何帶電的。

1 臭氧層中臭氧產(chǎn)生的原理

大氣層的臭氧主要以紫外線打擊雙原子的氧氣，將其分為2個(gè)原子，然后每個(gè)原子與未分裂的氧合并成臭氧。臭氧分子不穩(wěn)定，紫外線照射之后又會(huì)分為氧氣分子和氧原子，形成一個(gè)持續(xù)的過程——臭氧與氧氣循環(huán)，進(jìn)而產(chǎn)生臭氧層。自然界中的臭氧層大多分布在離地20 000～50 000 m的高空。臭氧層中的臭氧主要是由<200 nm的紫外線制造而成的，其化學(xué)方程式為O2+hv（<200 nm的紫外線）→O+O，氧原子再與鄰近的氧分子反應(yīng)生成臭氧，即O+O2→O3。此外，臭氧也會(huì)因受到另一波段紫外線照射而分解，生成氧原子和氧分子，即O3+hv→O2+O，或是與活潑的氧原子作用形成氧分子，即O3+O→O2+O2。臭氧在這些反應(yīng)中不斷生成和分解，維持著微妙但脆弱的平衡。

2 雷雨云中電荷產(chǎn)生的推論

雷雨云大多分布在1 000～10 000 m的高空，云團(tuán)內(nèi)部的主要物質(zhì)為水。隨著溫度和氣壓的變化，雷雨云分為固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)，水的化學(xué)鍵為H-O-H，已知?dú)溲蹑I為463/（kJ/moL）=4.8 eV（e=1 240/λ），即波長(zhǎng)<258 nm的紫外線能將氫氧鍵激發(fā)斷裂。值得注意的是，實(shí)際波長(zhǎng)可能比258 nm短。理論上看，波長(zhǎng)小于240 nm的紫外線就能將氧氧雙鍵激發(fā)，化學(xué)方程式為H2O+hv→H+OH-（本方程式尚未得到公認(rèn)，而從邏輯推理的角度分析可能存在這個(gè)方程式）。

水能被小于258 nm的紫外線光解的另一個(gè)證據(jù)為：目前，水能在有催化劑存在的情況下被可見光甚至紅外線光解。逆向推理，我們的研究方向是尋找效果更差的催化劑（相當(dāng)于未使用催化劑）。此時(shí)，能光解水的波長(zhǎng)就是我們要尋找的波長(zhǎng)，即能量等于氫氧鍵鍵能的波長(zhǎng)。具體而言，H-OH在被波長(zhǎng)小于258 nm的紫外線照射激發(fā)，原子鍵斷裂時(shí)H粒子奪取電子的能力遠(yuǎn)弱于OH，所以，在斷裂時(shí)，H粒子會(huì)失去電子變?yōu)镠+，OH奪得電子變?yōu)镺H-（臭氧層中，氧氣分子鍵被紫外線照射激發(fā)斷裂時(shí)，由于兩個(gè)氧原子奪取電子的能力相同，不存在帶電問題）。

筆者的推論為：云團(tuán)中的H+、OH-是極不穩(wěn)定的（與臭氧層中O原子不穩(wěn)定有關(guān)），其會(huì)迅速地與周圍的粒子發(fā)生反應(yīng)，形成穩(wěn)定的粒子，進(jìn)而產(chǎn)生以下3種情況：①（H+）+（OH-）=H2O（電量中和）；②（H+）+（H+）=H2++（帶正電）；③（OH-）+（OH-）=H2O2--（帶負(fù)電）。

H2++是指帶正電荷的H2、H因比重（密度）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于云團(tuán)中的水蒸氣（周圍環(huán)境），會(huì)迅速地向云的上方運(yùn)動(dòng)，且一邊運(yùn)動(dòng)一邊將自身的正電荷帶到云的上方，導(dǎo)致云朵上方帶正電。

H2O2--是指帶負(fù)電荷的H2O2由于比重（密度）大于云團(tuán)中的水蒸氣，也會(huì)迅速地向云的下方運(yùn)動(dòng)，且一邊運(yùn)動(dòng)一邊將自身的負(fù)電電荷帶到云的下方，導(dǎo)致云下方帶負(fù)電。

推論的最終結(jié)果為：2H2O=H2+↑+H2O2-↓（<258 nm紫外線照射條件下，但目前還未被證實(shí)），2H2O2=2H2O+O2（過氧化氫在自然界中極不穩(wěn)定），進(jìn)而導(dǎo)致云上方為正電，下方為負(fù)電（理論推導(dǎo)的結(jié)果與現(xiàn)實(shí)中觀測(cè)到的雷雨云帶電情況一致）。

3 紫外線光解水方程式的定量分析

科學(xué)上已知，一片雷雨云帶電的電荷大約有幾十庫侖。在此假設(shè)1 c=6.25×1018個(gè)電子，阿伏伽德羅常數(shù)=6.02×1023，帶100 c的云的體積為1 000×108 m3，1 m3云含水10 g，則云含1 000 000 t水。如果按照之前的結(jié)論計(jì)算，一片雷雨云要帶100 c的電量需要光解約0.018 g水。含1.0×106 t水的云只要光解0.018 g的水就會(huì)帶100 c的電量（進(jìn)一步產(chǎn)生閃電現(xiàn)象），該反應(yīng)是極為微量的反應(yīng)。

4 紫外線光解水反應(yīng)定量分析的推論

在地球上，紫外線光解水的反應(yīng)一直在極為緩慢地進(jìn)行。因此，地球上的水是在不斷減少的，減少的速度是非常緩慢的；地球上的氧氣是可以通過紫外線光解水的方式產(chǎn)生的，產(chǎn)生的速度非常緩慢；由于氫氣是元素中質(zhì)量較輕的，所以，帶正電荷的氫會(huì)一直向地球的高空飛去，直至從地球高層大氣中逃逸，而帶負(fù)電荷的過氧化氫會(huì)留在地球，地球會(huì)帶負(fù)電（大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，地球確實(shí)整體顯負(fù)電）。

〔編輯：張思楠〕