雷雨云带电的新理论及三个推论

田原++成海柱

文章编号：2095-6835（2016）17-0043-01

摘 要：自然界中的臭氧层大多分布在离地15 000～50 000 m的高空。臭氧层中的臭氧主要是由<200 nm的紫外线生成的。类似臭氧层，雷雨云大多分布在1 000～10 000 m的高空。在这个高度，应存在微量的能将水蒸汽光解的紫外线（从分子键能的角度分析，约为258 nm）。讨论了雷雨云中水分子的氢氧键被紫外线破坏后可能发生的现象，介绍了目前已经得出的相关观测结果。

关键词：紫外线；氢气；双氧水；雷雨云

中图分类号：P482 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.17.043

目前，世界上关于雷雨云的带电原理问题的学说有十几种之多，主流的有以下4种：①水滴破裂效应。云中水滴在高速气流中作激烈运动，分裂成一些带负电的较大颗粒和带正电的较小颗粒，后者同时被上升气流携带到高空，前者落在低空。这样正、负两种电荷便在云层中被分离，进而造成90%的云层下部带负电。②吸电荷效应。由于受到宇宙射线或其他电离作用，大气中存在正、负离子，又因空间存在电场，在电场力的作用下，正、负离子在云的上、下层分别积累，进而使雷雨云带电，又称为感应起电。③水滴冻冰效应。水滴在结冰过程中会产生电荷，冰晶带正电荷，水带负电荷。当上升气流将冰晶上的水分带走时，就会导致电荷的分离，进而使雷雨云带电。④温差起电效应。实验证明了在冰块中存在正离子（H+）和负离子（OH-）。当在温度发生变化时，离子发生扩散运动并相互分离。积雨云中的冰晶和雹粒在对流的碰撞和摩擦运动中会造成温度差异，并因温差起电，带电的离子又因重力和天气的作用而分离扩散，最后达到一定的动态平衡。

至于雷雨云带电到底是因哪种效应或因多种效应的共同作用而产生的，科学界尚无定论，且分歧很大。目前，科学界中的多种解释雷雨云带电的理论都是从物理角度入手解释的，而笔者是从光化学反应入手来解释这个物理现象的，具体观点为：雷雨云带电是因高空中的云受到<258 nm的紫外线照射发生光化学反应而产生的物理现象。

本文从雷雨云层与臭氧层的相似性谈起，依据光解水制氢实验逆推，根据已经明确的数据分析了雷雨云层是如何带电的。

1 臭氧层中臭氧产生的原理

大气层的臭氧主要以紫外线打击双原子的氧气，将其分为2个原子，然后每个原子与未分裂的氧合并成臭氧。臭氧分子不稳定，紫外线照射之后又会分为氧气分子和氧原子，形成一个持续的过程——臭氧与氧气循环，进而产生臭氧层。自然界中的臭氧层大多分布在离地20 000～50 000 m的高空。臭氧层中的臭氧主要是由<200 nm的紫外线制造而成的，其化学方程式为O2+hv（<200 nm的紫外线）→O+O，氧原子再与邻近的氧分子反应生成臭氧，即O+O2→O3。此外，臭氧也会因受到另一波段紫外线照射而分解，生成氧原子和氧分子，即O3+hv→O2+O，或是与活泼的氧原子作用形成氧分子，即O3+O→O2+O2。臭氧在这些反应中不断生成和分解，维持着微妙但脆弱的平衡。

2 雷雨云中电荷产生的推论

雷雨云大多分布在1 000～10 000 m的高空，云团内部的主要物质为水。随着温度和气压的变化，雷雨云分为固态、液态、气态，水的化学键为H-O-H，已知氢氧键为463/（kJ/moL）=4.8 eV（e=1 240/λ），即波长<258 nm的紫外线能将氢氧键激发断裂。值得注意的是，实际波长可能比258 nm短。理论上看，波长小于240 nm的紫外线就能将氧氧双键激发，化学方程式为H2O+hv→H+OH-（本方程式尚未得到公认，而从逻辑推理的角度分析可能存在这个方程式）。

水能被小于258 nm的紫外线光解的另一个证据为：目前，水能在有催化剂存在的情况下被可见光甚至红外线光解。逆向推理，我们的研究方向是寻找效果更差的催化剂（相当于未使用催化剂）。此时，能光解水的波长就是我们要寻找的波长，即能量等于氢氧键键能的波长。具体而言，H-OH在被波长小于258 nm的紫外线照射激发，原子键断裂时H粒子夺取电子的能力远弱于OH，所以，在断裂时，H粒子会失去电子变为H+，OH夺得电子变为OH-（臭氧层中，氧气分子键被紫外线照射激发断裂时，由于两个氧原子夺取电子的能力相同，不存在带电问题）。

笔者的推论为：云团中的H+、OH-是极不稳定的（与臭氧层中O原子不稳定有关），其会迅速地与周围的粒子发生反应，形成稳定的粒子，进而产生以下3种情况：①（H+）+（OH-）=H2O（电量中和）；②（H+）+（H+）=H2++（带正电）；③（OH-）+（OH-）=H2O2--（带负电）。

H2++是指带正电荷的H2、H因比重（密度）远远小于云团中的水蒸气（周围环境），会迅速地向云的上方运动，且一边运动一边将自身的正电荷带到云的上方，导致云朵上方带正电。

H2O2--是指带负电荷的H2O2由于比重（密度）大于云团中的水蒸气，也会迅速地向云的下方运动，且一边运动一边将自身的负电电荷带到云的下方，导致云下方带负电。

推论的最终结果为：2H2O=H2+↑+H2O2-↓（<258 nm紫外线照射条件下，但目前还未被证实），2H2O2=2H2O+O2（过氧化氢在自然界中极不稳定），进而导致云上方为正电，下方为负电（理论推导的结果与现实中观测到的雷雨云带电情况一致）。

3 紫外线光解水方程式的定量分析

科学上已知，一片雷雨云带电的电荷大约有几十库仑。在此假设1 c=6.25×1018个电子，阿伏伽德罗常数=6.02×1023，带100 c的云的体积为1 000×108 m3，1 m3云含水10 g，则云含1 000 000 t水。如果按照之前的结论计算，一片雷雨云要带100 c的电量需要光解约0.018 g水。含1.0×106 t水的云只要光解0.018 g的水就会带100 c的电量（进一步产生闪电现象），该反应是极为微量的反应。

4 紫外线光解水反应定量分析的推论

在地球上，紫外线光解水的反应一直在极为缓慢地进行。因此，地球上的水是在不断减少的，减少的速度是非常缓慢的；地球上的氧气是可以通过紫外线光解水的方式产生的，产生的速度非常缓慢；由于氢气是元素中质量较轻的，所以，带正电荷的氢会一直向地球的高空飞去，直至从地球高层大气中逃逸，而带负电荷的过氧化氢会留在地球，地球会带负电（大量的科学实验已经证实，地球确实整体显负电）。

〔编辑：张思楠〕