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  • 闪电的前世今生

    来源:www.jlxsmy.com 发布时间:2020-03-14

    闪电是一种既熟悉又陌生的天气现象。一般来说,气流主要沿水平方向流动,垂直风速约为每秒厘米。夏季,轮廓清晰的云和棉花糖在适当条件下可达到每秒10米以上的垂直风速,形成高度达到对流层顶的积雨云,并产生大风、暴雨、冰雹、雷电等强烈天气现象。这种积雨云达到一定高度并能产生闪电,称为雷暴云。

    飞机遇到这种不均匀的垂直气流时会颠簸,在起飞和着陆时尤其危险,所以飞机经常在夏天因为这种天气而停飞。

    图1积雨云产生闪电,引自百度百科“积雨云”词条

    雷暴如何充电?

    有许多关于雷暴电气化的理论。目前,占主导地位的是“非感应电气化”。高耸的雷暴云含有大量不同的含水粒子,如冰晶、软冰雹、过冷水等。这些粒子相互碰撞并携带不同的电荷。大的重粒子下沉,而小的轻粒子上升,从而在雷暴云中形成携带不同电荷的电荷层。

    在给雷暴通电的过程中,雷暴中的电场并不直接参与,所以这种带电机制称为“非感应带电”。

    图2引自桑德斯(2008)

    的冰晶与软雹碰撞后不同电荷和分离的过程,通过实验室观察,发现冰晶与软雹碰撞后携带的电荷与温度和水汽密度有关。当液态水含量在0.1-4.0gm-3之间,温度高于-10℃时,大冰雹在碰撞后带正电荷,温度低于-10℃时,大冰雹在碰撞后带负电荷。

    在这种非感应带电机制的作用下,雷暴自上而下呈现典型的“正-负-正”三极电荷结构。

    Figure 3“正-负-正”雷暴云中由非感应充电机制引起的三极电荷分布,源自桑德斯(2008)

    闪电如何在云中发展?

    在雷暴云中的正负电荷层之间,当电场足够强时,闪电就会发生。闪电像树一样继续传播它的通道,同时“根”和“叶”向相反的方向发展。闪电树整体上是电中性的,一端的正电荷向云中的负电荷区域发展,另一端的负电荷向云中的正电荷区域发展。

    大多数闪电只是在云中发生、发展和熄灭。也有一些闪电,向下发展的先导通道到达地面,形成云闪电。这种云闪电也是防雷的主要对象。

    图4双向闪电,从马祖尔引进(2002)

    闪电的两端通过空气击穿的方式不断发展,建立了整个闪电通道。领导发展的领导者,我们称之为“领导者”,同时发展的两端带相反电荷的双向领导者通道称为“双向领导者”。

    有趣的是,双向试验的两端显示出完全不同的发展模式和电磁辐射强度。负的导频辐射信号很强,并且以跳跃的方式发展。多个悬浮的空间导频将出现在导频头前方数米处,然后与负导频头连接形成多个分支。然而,正驾驶员的空气击穿阈值相对较低,其发展如同流水,不断向前延伸,分支相对较少,辐射信号较弱。

    闪电发展特征的新发现

    由于云的遮挡,很难直接观察到云中出现的闪电。一般来说,云层中闪电通道的发展特征是通过探测闪电的辐射信号获得的。然而,由于正导线的弱辐射信号,它们经常被淹没在负导线信号和背景噪声的同时发展中。发展成云的云对地闪电可以通过高速光学手段观察到

    当建筑物的有效高度超过100米时,就会出现一个有趣的现象。在雷暴条件下,高层建筑顶部的局部电场最强。它可以自己冲破空气,启动一个上升的飞行员,并把它送入雷暴云中,形成所谓的“上升闪电”。这种闪电为研究闪电的发展细节提供了一个很好的观察机会,其中大部分来自于目前缺乏了解的积极先驱。随着经济的发展,越来越多的高层建筑竣工,上行闪电的频率也在增加。

    利用高塔易遭雷击的弱点,中科院大气科学研究所Xi秀树团队多年来利用光、电、磁等手段对325米气象塔进行了综合观测,对高塔闪电有了较为系统的了解。最近,他们获得了每秒38万帧闪电先导发展光学图像和同步电磁场变化波形,并以高时空分辨率分析了自然正负先导在同一光学图像中相互接近的传输过程。

    研究发现积极的领导者会表现出“头部电荷积累-停顿-跳跃”的间歇性发展特征;从观察的角度,阐明了积极领导者的间歇性发展特征是其自身的物理性质,而不是周围消极领导者通过脉冲电场间接作用的结果。

    图5正导频“头部电荷积累-暂停-跳跃”的间歇性发展来源于王等(2016)

    图6正、负导频相互靠近的间歇性发展概念图来源于Srivastava等(2019)

    此外,他们还发现传输中正导频通道的后部可激发悬浮双向导频放电,起点位于径向距离约200米处双向导频的正端在单个信道中远离主导频发展,而负端在丰富的分叉中靠近主导频发展,最后与主信道连接并合并到主信道中形成新的分支。

    图7引自袁等(2019)

    的正向导频信道周围激发的双向导频现象,这些研究成果拓展了对正向导频传输机制的认识,也为今后建立和完善正向导频自持发展的物理模型奠定了重要的观测证据和理论基础。研究结果发表在《地球物理研究杂志:大气》、《地球物理研究快报》和其他杂志上。

    references:

    1,mazur v .闪电片的物理过程发展。。

    (02)-3。

    2、桑德斯电荷分离机制。空间科学2008年修订版;137:。

    3、斯利瓦斯塔瓦、姜若尔、袁s、切X、王德、张赫等。负地闪中上行正导线与下行负导线的间歇传播。地球物理学报大气2019;124:76。

    4、王z、切X、姜尔、王c、陆g、孙z等.一个自然向上的正向领导者的步进式传播的高速视频观察。地球物理学报2016;121:15。

    5、袁s,蒋若尔,齐克思,孙z,王德,斯里瓦斯塔瓦。发展中的双向领导及其对发展中的积极领导渠道分支的影响。列特地球物理学会2019;46:。

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