变幻莫测的大气 ：暴雨和它的声光效应

在不到100km 的范围内，大气变化存在极大的偶然性，衍生出的自然现象壮丽而又恐怖。例如，雷暴和龙卷风，需要我们给予其足够的重视。闪电、雷鸣的形成条件是什么？它们的结构如何？又是怎样产生的？需要借助哪些物理量才能预报它们？调查表明，大众对此知之甚少。

一、暴雨的形成

讨论雷雨的变化之前，我们先来了解与闪电和暴雨有关的现象，这是理解后续章节的前提。低空生成的湿热空气与高空大气存在着密度差，在浮力作用下上升，形成三维（3D）对流环流。气流被吹向海拔更高、温度更低的区域。在平原地区，这股气流能冲到热锋处，使那里新鲜的、较重的空气被吹向更高的地方。而在山区，这种情形更显著，气流间增加的密度差加剧了对流的搅动作用，使气流继续升高至温度更低的高空，那里冷凝更强，更易于形成大液滴，液滴跌落形成暴雨。在形成暴雨的翻滚的云中，上升的轻空气与水滴发生剧烈的搅动，强烈的摩擦足以使空气发生电离，电闪雷鸣会伴随着暴雨而至。

在对流形成伊始，积云可能是孤立的，就像那些夏日午后，接近山顶处美丽的云朵一样。这种情况下出现暴雨的概率很小。但是随着低压不断增强，积云变得越来越厚、越来越多，最终形成一群庞大的积云。伴随着水滴的增多，云团外观逐渐变暗。这些大团的云朵要比小的、孤立的积云危险，更容易发展成暴雨。

在小积云内部，对流形成伊始一般是单环的，尺寸也往往小于10km，积云的中心向上流，而周边向下流。对于尺寸为10~100km 的积云，对流也可能变成多环，在云的内部有多股上升气流，但这并未从根本上改变其过程的演化机制。正如所有的低压一样，不论大小，由于冷凝的作用，上升的气流都会逐渐变得干燥起来，并伴随着压力下降。冷凝过程中释放潜热，使气流进一步升温，从而积云变得更轻。浮力驱动气流达到更高处；与此相反，液滴在重力作用下向下运动。云内部的对流环使气流和液滴分离（图1）。事实上，云内部单环的对流结构意味着呈柱状上升的中心部位较轻的气流和周边下降的气流能造成分离。一般情形下，竖直上升的气流在克服重力和摩擦力之后可达5000m 以上的高度，在水平方向上被风吹散到更大的范围（图1）。

图1 暴雨形成及演化的三个主要阶段

第一阶段，积云内部中心为上升气流，四周为下降气流，形成了环状对流；第二阶段，出现雨水或冰雹，降水位置更可能位于积云的外围，当暴雨达到最大时，环状对流的发展也达到了最高处；第三阶段，内部上升的气流基本消失，积云的底部成砧状，标志着暴雨结束

在对流环中，当气流到达温度更低的最高处时（对流层竖直方向上每千米温降5~6℃），冷凝和聚结使水滴增大，甚至结冰形成冰雹。在某些情况下，这些液滴或冰雹可以在环流中循环多次，冰雹在下降过程中部分融化，再次上升到对流层高处时凝结，有时甚至会形成大而重的冰块，这对穿越云层的飞机是个极大的威胁。冰雹在下降的过程中会部分或全部融化，摩擦作用可将其破碎成小块。大雨滴和冰雹到达云团边缘时不再上升，因为它们远离中心上升气流，从对流环流中脱离出来降落成雨。雨滴或冰雹在跌落到地面的过程中与空气摩擦，驱动气流向下，并使空气更重、更冷。这个阶段即是暴雨发展的成熟期（图1）。

落到地面的雨水会再被蒸腾，冷却周围的空气，减缓湿热空气继续上升并抑制雷雨的发展。如果湿热空气未能补偿冷气流，暴雨就结束了。积云里形成雨滴或冰雹的对流逐渐减弱，在底部出现预示暴雨结束的砧状积云，通常它与可在1h 之内引起暴雨的孤立积云有所不同，因而这种云易于识别。但是，当积云为大型多环对流时，由于低压的大尺度效应，使得形成暴雨需要数个小时之久。

与陆地情形不同，海面水温在暴雨中几乎不变，这意味着在海上形成暴雨的可能性要小很多。海水的蒸发是相对稳定的，使海面上空气始终保持清新。暖锋带来的空气环流，锋面两侧的密度差足以酝酿暴雨。当暖锋减弱时，密度差减小，暴雨也随之停止。

二、暴雨的声光效应之高层大气的辉光现象

我们经常用一句话来形容电闪雷鸣的猛烈：它们把全世界都“熔化”了！这无疑是眩目的闪电和吓人的雷声，唤起了人们对诸如火灾或世界末日的想象。在阅读完以下内容后，我们将不必再对这些现象感到恐惧，并可了解其物理本质。例如，由暴雨引起的高层大气辉光现象，有一个可爱的名字：妖精（farfadets）或精灵（elfes）。这类现象鲜为人知，因为观测辉光的方法最近才被找到。

早在1920 年就有记载，在平流层和中间层之间存在着与雷暴有关的发光现象。真正对这一现象进行系统观测，得益于1990 年之后一个偶然的机会。安置在火箭上的摄像机所拍摄的所有图片中，有两幅显示了远处雷暴天气存在的寿命极短的荧光现象。第一次真正的实时观察动态辉光现象，是1995 年由费尔班克斯的阿拉斯加大学的两位物理学家①完成的，他们对这种现象一直追踪并有多次记录。为了证实这种现象的真实性，于2001 年10 月在国际空间站上安装了拍摄闪电和晕的观测仪（LSO），这项任务由欧洲原子能委员会承担，克洛迪・艾涅尔受委托在纳迪尔空间站穹底安装了两个摄像头。夜晚当空间站飞抵出现雷暴天气的陆地上空时，摄像头开始工作。它证实了之前在地面上多次观测到的辉光现象。

首先在云层顶面可观察到耀眼的蓝色喷流。该喷流指向对流层顶与平流层，呈狭窄的锥形，并稍有扩散（顶部半角接近10°），其从对流层内出发可达大约40km 的高度（图2）。蓝色喷流的发射速率，经估计约为100km/s，可射至近海拔80km 的中间层顶。其间，一类红色发光现象会突然出现，在几毫秒后消失。红光成簇地进入平流层，有时像撕碎了的触须飘来荡去。这些红色发光现象在法语里被称作farfadets（精灵）或sylphes rouges（红精灵），在英语中被称为（sprites）精灵。红光的范围下至海拔约40km、上达海拔近90km处。红色发光现象有时呈现出其他形态，形成一个有点点光亮、快速扩散的光环。这个附加的红色光环在法语里通常被称为halos（晕）或elfes（精灵），而英语中elves（精灵）常指光的发射，以及从电磁脉冲源发出的频率非常低的扰动。

图2 发生在云层之上、与雷暴有关的短暂发光现象

从高到低：带有扩大晕环、尾部指向地面的“红精灵”，射向高空、指向平流层的“蓝精灵”和最下面的闪电［@ NOAA］

雷暴期间高层大气中的这些发光现象，包含着非常多的研究内容。前面已经提到，在英语中精灵（elves）是“大气雷暴所造成的电磁脉冲”的缩写，闪电的瞬时电流强度可高达10 000A。这一强电流会立刻在周围感应出磁场来，磁场不大但足够显著，1m 长的闪电周围具有毫特斯拉量级的磁场。尽管磁场随到闪电的距离增大而迅速衰减，但磁场变化产生的电磁波能传播到中间层甚至更远。带晕环的精灵是闪电所发出的球形波在大气底层与海拔80~100km 的区域里形成的，它可能与氮气的电离发光有关。大气中闪电的扰动，使氮气分子（N2）发出射线，其波长随不同海拔处压力的变化而变化。为了更好地认识和了解这种发光现象，法国开发了一个小型专用卫星（TARANIS，即闪电和“精灵”辐射分析仪的缩写），从2013年开始探测。

本文由王芳摘编自勒内・莫罗(Rene Moreau)著，王晓东，陶震，倪明玖译《大自然的礼物：关于空气和水的科学之旅》（科学出版社.2016.7）一书第三章，内容有删节。

ISBN 978-7-03-049049-0

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