閃電是大家很熟悉卻又很陌生的天氣現(xiàn)象。通常來說,空氣的流動(dòng)是以水平方向?yàn)橹?,垂直風(fēng)速在厘米/秒的量級(jí)。而在夏天,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。
產(chǎn)生閃電的積雨云 圖片來源:視覺中國
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,這樣就在雷暴云內(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(chǎng)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”。
通過實(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0.1~4.0g/m3,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)。
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(duì)象。
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(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(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(duì)325米氣象塔組織開展了光、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,并非周圍負(fù)先導(dǎo)通過脈沖電場(chǎng)間接作用導(dǎo)致的結(jié)果。
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。
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)。
中國科學(xué)院學(xué)習(xí)平臺(tái)