?閃電是大家很熟悉又很陌生的天氣現(xiàn)象。通常來說，空氣的流動是水平方向?yàn)橹?，垂直風(fēng)速在厘米/秒的量級。在夏天，那一朵朵輪廓清晰、像棉花糖一樣的云朵，在合適的條件下垂直風(fēng)速可達(dá)到十幾米/秒，可以形成高度達(dá)到對流層頂?shù)姆e雨云，產(chǎn)生大風(fēng)、暴雨、冰雹、雷電等強(qiáng)烈的天氣現(xiàn)象。這種到達(dá)一定高度、能夠產(chǎn)生閃電的積雨云，我們稱之為雷暴云。
??? 飛機(jī)在遇到這種不均勻的垂直氣流時(shí)會出現(xiàn)顛簸，在起飛和降落階段遇到尤其危險(xiǎn)，所以夏天的時(shí)候飛機(jī)常常因?yàn)檫@樣的天氣原因而停飛。
圖1?產(chǎn)生閃電的積雨云，引自百度百科“積雨云”詞條
雷暴云是如何帶電的呢？
??? 關(guān)于雷暴云帶電的理論有很多，目前占主導(dǎo)地位的是“非感應(yīng)起電”。高聳的雷暴云內(nèi)部含有大量的冰晶、軟雹、過冷水等不同的水成物粒子，這些粒子之間互相碰撞，攜帶了不同電荷，大的重的粒子下沉，小的輕的粒子上升，這樣在雷暴云內(nèi)形成了攜帶不同電荷的電荷層。
??? 在這個(gè)讓雷暴云帶電的過程中，雷暴云內(nèi)的電場沒有直接參與作用，因此這種起電機(jī)制被稱為“非感應(yīng)起電”。
圖2 冰晶和軟雹碰撞之后帶不同電荷并分離的過程，引自Saunders（2008）
??? 通過實(shí)驗(yàn)室的觀測發(fā)現(xiàn)，冰晶和軟雹碰撞之后攜帶的電荷與溫度、水汽密度有關(guān)。當(dāng)液態(tài)水含量介于0.1-4.0gm-3，溫度高于-10℃，大的軟雹在碰撞后攜帶正電荷，而溫度低于-10℃，大的軟雹在碰撞后攜帶負(fù)電荷。
?? 在這種非感應(yīng)起電機(jī)制的作用下，雷暴云從上到下呈現(xiàn)“正-負(fù)-正”的典型三極性電荷結(jié)構(gòu)。
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圖3 雷暴云內(nèi)非感應(yīng)起電機(jī)制造成的“正-負(fù)-正”三極性電荷分布，引自Saunders（2008）
閃電在云內(nèi)是如何發(fā)展的呢？
??? 在雷暴云內(nèi)的正負(fù)電荷層之間，當(dāng)電場強(qiáng)度足夠大時(shí)，就會產(chǎn)生閃電。閃電像樹的生長一樣不斷延展通道，“根”和“葉”同時(shí)朝著相反的方向發(fā)展，這棵閃電樹整體呈電中性，一端帶正電荷朝著云內(nèi)負(fù)電荷區(qū)發(fā)展，另一端帶負(fù)電荷朝著云內(nèi)的正電荷區(qū)發(fā)展。
??? 大多數(shù)的閃電就這樣發(fā)生、發(fā)展、熄滅在云內(nèi)；也有部分閃電，向下發(fā)展的先導(dǎo)通道抵達(dá)地面，形成了一次云地閃電。這樣的云地閃電也是雷電防護(hù)的主要對象。
圖4 雙向發(fā)展的閃電，引自Mazur（2002）
??? 閃電的兩端通過擊穿空氣的方式不斷發(fā)展，建立了整個(gè)閃電通道。這個(gè)引領(lǐng)發(fā)展的頭部，我們稱為“先導(dǎo)（leader）”，而這種兩端攜帶相反電荷、同時(shí)發(fā)展的先導(dǎo)通道被稱為“雙向先導(dǎo)”。
??? 有趣的是，雙向先導(dǎo)的兩端呈現(xiàn)出的發(fā)展方式、電磁輻射強(qiáng)度完全不同。負(fù)先導(dǎo)輻射信號強(qiáng)，以跳躍的方式發(fā)展，會在先導(dǎo)頭部之前數(shù)米出現(xiàn)多個(gè)懸浮的空間先導(dǎo)，之后與負(fù)先導(dǎo)頭部連接，形成多個(gè)分叉。而正先導(dǎo)的空氣擊穿閾值較低，其發(fā)展像流水一般，連續(xù)向前延伸，分叉相對較少，輻射信號弱。
閃電發(fā)展特征的新發(fā)現(xiàn)
??? 在云內(nèi)發(fā)生的閃電，由于云體的遮擋，很難被直接觀測。一般通過探測閃電的輻射信號獲得云內(nèi)閃電通道的發(fā)展特征，但是由于正先導(dǎo)的輻射信號弱，往往都淹沒在同時(shí)發(fā)展的負(fù)先導(dǎo)信號以及背景噪聲當(dāng)中。發(fā)展出云的云地閃電，是可以通過高速光學(xué)手段進(jìn)行觀測的。
??? 雖然閃電的發(fā)生具有很大的隨機(jī)性，但是相對來說，高建筑物具有更高的雷擊風(fēng)險(xiǎn)。避雷針就是通過吸引周圍的閃電劈向自己，將上萬安培的瞬時(shí)大電流引向地面，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)高建筑的目的。
??? 當(dāng)建筑有效高度超過100米，有趣的現(xiàn)象發(fā)生了。在雷暴條件下，高建筑物的頂部局地電場最強(qiáng)，可以自己擊穿空氣，始發(fā)上行先導(dǎo)，向雷暴云內(nèi)發(fā)，形成所謂的“上行閃電”。這樣的閃電為研究閃電的發(fā)展細(xì)節(jié)提供了很好的觀測機(jī)會，并且始發(fā)的大都是目前了解比較欠缺的正先導(dǎo)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的高建筑落成，上行閃電出現(xiàn)的頻率也隨之增高。
??? 中科院大氣所郄秀書團(tuán)隊(duì)利用高聳鐵塔易遭雷擊的特點(diǎn)，持續(xù)多年對325米氣象塔組織開展了光、電、磁等多手段綜合觀測，取得了對高塔閃電較為系統(tǒng)的認(rèn)識。最近，他們更獲得了每秒高達(dá)38萬幀的閃電先導(dǎo)發(fā)展光學(xué)圖像和同步的電磁場變化波形，以高時(shí)空分辨率解析了在同一光學(xué)圖像內(nèi)相互靠近的自然正、負(fù)先導(dǎo)的傳輸過程。
??? 研究發(fā)現(xiàn)：正先導(dǎo)可以呈現(xiàn)出“頭部電荷聚集-停頓-跳躍”的間歇式發(fā)展特征；并從觀測角度澄清了正先導(dǎo)的間歇性發(fā)展特征是其自身的物理屬性，并非周圍負(fù)先導(dǎo)通過脈沖電場間接作用導(dǎo)致的結(jié)果。
圖5 正先導(dǎo)的“頭部電荷聚集-停頓-跳躍”的間歇式發(fā)展，引自Wang等（2016）
圖6?相互靠近的正負(fù)先導(dǎo)間歇性發(fā)展概念圖，引自Srivastava?等（2019）
??? 此外他們發(fā)現(xiàn)，傳輸中的正先導(dǎo)通道后部可以激發(fā)懸浮的雙向先導(dǎo)放電，起始點(diǎn)位置與通道的徑向距離約200米。雙向先導(dǎo)的正極性端呈單支通道遠(yuǎn)離主先導(dǎo)發(fā)展，負(fù)極性端則呈豐富的分叉靠近主先導(dǎo)發(fā)展，并最終與主通道發(fā)生連接，匯入主通道形成其新的分支。
圖7 正先導(dǎo)通道周圍激發(fā)的雙向先導(dǎo)現(xiàn)象，引自Yuan等（2019）
??? 這些研究發(fā)現(xiàn)拓展了對正先導(dǎo)傳輸機(jī)制的認(rèn)識，也為今后建立和完善正先導(dǎo)自持發(fā)展物理模型奠定了重要的觀測證據(jù)和理論基礎(chǔ)。研究成果發(fā)表在Journal of Geophysical Research: Atmospheres、Geophysical Research Letters等期刊上。
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參考文獻(xiàn)：
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來源：中國科學(xué)院大氣物理研究所
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