?閃電是大家很熟悉又很陌生的天氣現(xiàn)象。通常來(lái)說(shuō)，空氣的流動(dòng)是水平方向?yàn)橹鳎怪憋L(fēng)速在厘米/秒的量級(jí)。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(duì)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(chēng)之為雷暴云。
??? 飛機(jī)在遇到這種不均勻的垂直氣流時(shí)會(huì)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(guò)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(guò)程中，雷暴云內(nèi)的電場(chǎng)沒(méi)有直接參與作用，因此這種起電機(jī)制被稱(chēng)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(guò)程，引自Saunders（2008）
??? 通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的觀測(cè)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(chǎng)強(qiáng)度足夠大時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生閃電。閃電像樹(shù)的生長(zhǎng)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(shù)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(duì)象。
圖4 雙向發(fā)展的閃電，引自Mazur（2002）
??? 閃電的兩端通過(guò)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(chēng)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(chēng)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(hào)強(qiáng)，以跳躍的方式發(fā)展，會(huì)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(duì)較少，輻射信號(hào)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(cè)。一般通過(guò)探測(cè)閃電的輻射信號(hào)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(hào)弱，往往都淹沒(méi)在同時(shí)發(fā)展的負(fù)先導(dǎo)信號(hào)以及背景噪聲當(dāng)中。發(fā)展出云的云地閃電，是可以通過(guò)高速光學(xué)手段進(jìn)行觀測(cè)的。
??? 雖然閃電的發(fā)生具有很大的隨機(jī)性，但是相對(duì)來(lái)說(shuō)，高建筑物具有更高的雷擊風(fēng)險(xiǎn)。避雷針就是通過(guò)吸引周?chē)拈W電劈向自己，將上萬(wàn)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(guò)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(chǎng)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(cè)機(jī)會(huì)，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(lái)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(shū)團(tuán)隊(duì)利用高聳鐵塔易遭雷擊的特點(diǎn)，持續(xù)多年對(duì)325米氣象塔組織開(kāi)展了光、電、磁等多手段綜合觀測(cè)，取得了對(duì)高塔閃電較為系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。最近，他們更獲得了每秒高達(dá)38萬(wàn)幀的閃電先導(dǎo)發(fā)展光學(xué)圖像和同步的電磁場(chǎng)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(guò)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(cè)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?chē)?fù)先導(dǎo)通過(guò)脈沖電場(chǎng)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?chē)ぐl(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(duì)正先導(dǎo)傳輸機(jī)制的認(rèn)識(shí)，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(cè)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)：
1、Mazur V. Physicalprocesses during development of lightning flashes. Comptes Rendus Phys2002;3:1393–409.?
https://doi.org/10.1016/S1631-0705(02)01412-3.
2、Saunders C. Chargeseparation mechanisms in clouds. Space Sci Rev 2008;137:335–53.
https://doi.org/10.1007/s11214-008-9345-0.
3、Srivastava A, Jiang R,Yuan S, Qie X, Wang D, Zhang H, et al. Intermittent Propagation of UpwardPositive Leader Connecting a Downward Negative Leader in a NegativeCloud‐to‐Ground Lightning. J Geophys Res Atmos 2019;124:13763–76.
https://doi.org/10.1029/2019JD031148.
4、Wang Z, Qie X, JiangR, Wang C, Lu G, Sun Z, et al. High-speed video observation of stepwisepropagation of a natural upward positive leader. J Geophys Res2016;121:14307–15.?
https://doi.org/10.1002/2016JD025605.
5、Yuan S, Jiang R, QieX, Sun Z, Wang D, Srivastava A. Development of Side Bidirectional Leader andIts Effect on Channel Branching of the Progressing Positive Leader ofLightning. Geophys Res Lett 2019;46:1746–53.?
https://doi.org/10.1029/2018GL080718.
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來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所
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