闪电是大家很熟悉又很陌生的天气现象。通常来说，空气的流动是水平方向为主，垂直风速在厘米/秒的量级。在夏天，那一朵朵轮廓清晰、像棉花糖一样的云朵，在合适的条件下垂直风速可达到十几米/秒，可以形成高度达到对流层顶的积雨云，产生大风、暴雨、冰雹、雷电等强烈的天气现象。这种到达一定高度、能够产生闪电的积雨云，我们称之为雷暴云。
飞机在遇到这种不均匀的垂直气流时会出现颠簸，在起飞和降落阶段遇到尤其危险，所以夏天的时候飞机常常因为这样的天气原因而停飞。
图1 产生闪电的积雨云，引自百度百科“积雨云”词条
雷暴云是如何带电的呢？
关于雷暴云带电的理论有很多，目前占主导地位的是“非感应起电”。高耸的雷暴云内部含有大量的冰晶、软雹、过冷水等不同的水成物粒子，这些粒子之间互相碰撞，携带了不同电荷，大的重的粒子下沉，小的轻的粒子上升，这样在雷暴云内形成了携带不同电荷的电荷层。
在这个让雷暴云带电的过程中，雷暴云内的电场没有直接参与作用，因此这种起电机制被称为“非感应起电”。
图2 冰晶和软雹碰撞之后带不同电荷并分离的过程，引自Saunders（2008）
通过实验室的观测发现，冰晶和软雹碰撞之后携带的电荷与温度、水汽密度有关。当液态水含量介于0.1-4.0gm-3，温度高于-10℃，大的软雹在碰撞后携带正电荷，而温度低于-10℃，大的软雹在碰撞后携带负电荷。
在这种非感应起电机制的作用下，雷暴云从上到下呈现“正-负-正”的典型三极性电荷结构。
图3 雷暴云内非感应起电机制造成的“正-负-正”三极性电荷分布，引自Saunders（2008）
闪电在云内是如何发展的呢？
在雷暴云内的正负电荷层之间，当电场强度足够大时，就会产生闪电。闪电像树的生长一样不断延展通道，“根”和“叶”同时朝着相反的方向发展，这棵闪电树整体呈电中性，一端带正电荷朝着云内负电荷区发展，另一端带负电荷朝着云内的正电荷区发展。
大多数的闪电就这样发生、发展、熄灭在云内；也有部分闪电，向下发展的先导通道抵达地面，形成了一次云地闪电。这样的云地闪电也是雷电防护的主要对象。
图4 双向发展的闪电，引自Mazur（2002）
闪电的两端通过击穿空气的方式不断发展，建立了整个闪电通道。这个引领发展的头部，我们称为“先导（leader）”，而这种两端携带相反电荷、同时发展的先导通道被称为“双向先导”。
有趣的是，双向先导的两端呈现出的发展方式、电磁辐射强度完全不同。负先导辐射信号强，以跳跃的方式发展，会在先导头部之前数米出现多个悬浮的空间先导，之后与负先导头部连接，形成多个分叉。而正先导的空气击穿阈值较低，其发展像流水一般，连续向前延伸，分叉相对较少，辐射信号弱。
闪电发展特征的新发现
在云内发生的闪电，由于云体的遮挡，很难被直接观测。一般通过探测闪电的辐射信号获得云内闪电通道的发展特征，但是由于正先导的辐射信号弱，往往都淹没在同时发展的负先导信号以及背景噪声当中。发展出云的云地闪电，是可以通过高速光学手段进行观测的。
虽然闪电的发生具有很大的随机性，但是相对来说，高建筑物具有更高的雷击风险。避雷针就是通过吸引周围的闪电劈向自己，将上万安培的瞬时大电流引向地面，从而实现保护高建筑的目的。
当建筑有效高度超过100米，有趣的现象发生了。在雷暴条件下，高建筑物的顶部局地电场最强，可以自己击穿空气，始发上行先导，向雷暴云内发，形成所谓的“上行闪电”。这样的闪电为研究闪电的发展细节提供了很好的观测机会，并且始发的大都是目前了解比较欠缺的正先导。随着经济的发展，越来越多的高建筑落成，上行闪电出现的频率也随之增高。
中科院大气所郄秀书团队利用高耸铁塔易遭雷击的特点，持续多年对325米气象塔组织开展了光、电、磁等多手段综合观测，取得了对高塔闪电较为系统的认识。最近，他们更获得了每秒高达38万帧的闪电先导发展光学图像和同步的电磁场变化波形，以高时空分辨率解析了在同一光学图像内相互靠近的自然正、负先导的传输过程。
研究发现：正先导可以呈现出“头部电荷聚集-停顿-跳跃”的间歇式发展特征；并从观测角度澄清了正先导的间歇性发展特征是其自身的物理属性，并非周围负先导通过脉冲电场间接作用导致的结果。
图5 正先导的“头部电荷聚集-停顿-跳跃”的间歇式发展，引自Wang等（2016）
图6 相互靠近的正负先导间歇性发展概念图，引自Srivastava 等（2019）
此外他们发现，传输中的正先导通道后部可以激发悬浮的双向先导放电，起始点位置与通道的径向距离约200米。双向先导的正极性端呈单支通道远离主先导发展，负极性端则呈丰富的分叉靠近主先导发展，并最终与主通道发生连接，汇入主通道形成其新的分支。
图7 正先导通道周围激发的双向先导现象，引自Yuan等（2019）
这些研究发现拓展了对正先导传输机制的认识，也为今后建立和完善正先导自持发展物理模型奠定了重要的观测证据和理论基础。研究成果发表在Journal of Geophysical Research: Atmospheres、Geophysical Research Letters等期刊上。
参考文献：
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.
来源：中国科学院大气物理研究所
2020-3-23