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      閃電的前世今生
      發布日期:
      2020-03-24

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      0

      ?閃電是大家很熟悉又很陌生的天氣現象。通常來說,空氣的流動是水平方向為主,垂直風速在厘米/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速可達到十幾米/秒,可以形成高度達到對流層頂的積雨云,產生大風、暴雨、冰雹、雷電等強烈的天氣現象。這種到達一定高度、能夠產生閃電的積雨云,我們稱之為雷暴云。

      ??? 飛機在遇到這種不均勻的垂直氣流時會出現顛簸,在起飛和降落階段遇到尤其危險,所以夏天的時候飛機常常因為這樣的天氣原因而停飛。

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      圖1?產生閃電的積雨云,引自百度百科“積雨云”詞條

      雷暴云是如何帶電的呢?

      ??? 關于雷暴云帶電的理論有很多,目前占主導地位的是“非感應起電”。高聳的雷暴云內部含有大量的冰晶、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,這樣在雷暴云內形成了攜帶不同電荷的電荷層。

      ??? 在這個讓雷暴云帶電的過程中,雷暴云內的電場沒有直接參與作用,因此這種起電機制被稱為“非感應起電”。

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      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)

      ??? 通過實驗室的觀測發現,冰晶和軟雹碰撞之后攜帶的電荷與溫度、水汽密度有關。當液態水含量介于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電荷。

      ?? 在這種非感應起電機制的作用下,雷暴云從上到下呈現“正-負-正”的典型三極性電荷結構。

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      閃電的前世今生

      圖3 雷暴云內非感應起電機制造成的“正-負-正”三極性電荷分布,引自Saunders(2008)

      閃電在云內是如何發展的呢?

      ??? 在雷暴云內的正負電荷層之間,當電場強度足夠大時,就會產生閃電。閃電像樹的生長一樣不斷延展通道,“根”和“葉”同時朝著相反的方向發展,這棵閃電樹整體呈電中性,一端帶正電荷朝著云內負電荷區發展,另一端帶負電荷朝著云內的正電荷區發展。

      ??? 大多數的閃電就這樣發生、發展、熄滅在云內;也有部分閃電,向下發展的先導通道抵達地面,形成了一次云地閃電。這樣的云地閃電也是雷電防護的主要對象。

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      圖4 雙向發展的閃電,引自Mazur(2002)

      ??? 閃電的兩端通過擊穿空氣的方式不斷發展,建立了整個閃電通道。這個引領發展的頭部,我們稱為“先導(leader)”,而這種兩端攜帶相反電荷、同時發展的先導通道被稱為“雙向先導”。

      ??? 有趣的是,雙向先導的兩端呈現出的發展方式、電磁輻射強度完全不同。負先導輻射信號強,以跳躍的方式發展,會在先導頭部之前數米出現多個懸浮的空間先導,之后與負先導頭部連接,形成多個分叉。而正先導的空氣擊穿閾值較低,其發展像流水一般,連續向前延伸,分叉相對較少,輻射信號弱。

      閃電發展特征的新發現

      ??? 在云內發生的閃電,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閃電通道的發展特征,但是由于正先導的輻射信號弱,往往都淹沒在同時發展的負先導信號以及背景噪聲當中。發展出云的云地閃電,是可以通過高速光學手段進行觀測的。

      ??? 雖然閃電的發生具有很大的隨機性,但是相對來說,高建筑物具有更高的雷擊風險。避雷針就是通過吸引周圍的閃電劈向自己,將上萬安培的瞬時大電流引向地面,從而實現保護高建筑的目的。

      ??? 當建筑有效高度超過100米,有趣的現象發生了。在雷暴條件下,高建筑物的頂部局地電場最強,可以自己擊穿空氣,始發上行先導,向雷暴云內發,形成所謂的“上行閃電”。這樣的閃電為研究閃電的發展細節提供了很好的觀測機會,并且始發的大都是目前了解比較欠缺的正先導。隨著經濟的發展,越來越多的高建筑落成,上行閃電出現的頻率也隨之增高。

      ??? 中科院大氣所郄秀書團隊利用高聳鐵塔易遭雷擊的特點,持續多年對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的認識。最近,他們更獲得了每秒高達38萬幀的閃電先導發展光學圖像和同步的電磁場變化波形,以高時空分辨率解析了在同一光學圖像內相互靠近的自然正、負先導的傳輸過程。

      ??? 研究發現:正先導可以呈現出“頭部電荷聚集-停頓-跳躍”的間歇式發展特征;并從觀測角度澄清了正先導的間歇性發展特征是其自身的物理屬性,并非周圍負先導通過脈沖電場間接作用導致的結果。

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      圖5 正先導的“頭部電荷聚集-停頓-跳躍”的間歇式發展,引自Wang等(2016)

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      圖6?相互靠近的正負先導間歇性發展概念圖,引自Srivastava?等(2019)

      ??? 此外他們發現,傳輸中的正先導通道后部可以激發懸浮的雙向先導放電,起始點位置與通道的徑向距離約200米。雙向先導的正極性端呈單支通道遠離主先導發展,負極性端則呈豐富的分叉靠近主先導發展,并最終與主通道發生連接,匯入主通道形成其新的分支。

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      圖7 正先導通道周圍激發的雙向先導現象,引自Yuan等(2019)

      ??? 這些研究發現拓展了對正先導傳輸機制的認識,也為今后建立和完善正先導自持發展物理模型奠定了重要的觀測證據和理論基礎。研究成果發表在Journal of Geophysical Research: Atmospheres、Geophysical Research Letters等期刊上。

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      參考文獻:

      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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      來源:中國科學院大氣物理研究所

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