漲知識:閃電是如何發生的?並非全都從天而降……

今天上午10點

深圳的天氣一下子「黑屏了」

深圳人的朋友圈紛紛刷屏

繼「一秒天黑之後」

狂風大作，電閃雷鳴

暴雨緊隨傾盆而下

9時5分，深圳氣象臺在全市發布雷電預警；

10時15分在全市發布大風藍色預警，預計最大陣風8級。

當前，雖然戰「疫」仍是焦點

但一些氣象災害也隨著「汛期」

如約而至

華南前汛期來了

強對流、強降雨也來了

烏雲壓頂 雷電霹靂

大風勁刮 暴雨如注

這都是華南前汛期常見的天氣現象

今天我們來聊一聊

汛期常見的閃電是如何產生的呢？

答案

或許和你想的並不一樣！

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，垂直風速在釐米/秒的量級。在夏天，那一朵朵輪廓清晰、像棉花糖一樣的雲朵，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雲，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雲，我們稱之為雷暴雲。

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。

產生閃電的積雨雲，引自百度百科「積雨雲」詞條

雷暴雲是如何帶電的呢？

關於雷暴雲帶電的理論有很多，目前佔主導地位的是「非感應起電」。高聳的雷暴雲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，這樣在雷暴雲內形成了攜帶不同電荷的電荷層。

在這個讓雷暴雲帶電的過程中，雷暴雲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」。

冰晶和軟雹碰撞之後帶不同電荷並分離的過程，引自Saunders（2008）

通過實驗室的觀測發現，冰晶和軟雹碰撞之後攜帶的電荷與溫度、水汽密度有關。當液態水含量介於0.1-4.0gm-3，溫度高於-10℃，大的軟雹在碰撞後攜帶正電荷，而溫度低於-10℃，大的軟雹在碰撞後攜帶負電荷。

在這種非感應起電機制的作用下，雷暴雲從上到下呈現「正-負-正」的典型三極性電荷結構。

雷暴雲內非感應起電機製造成的「正-負-正」三極性電荷分布，引自Saunders（2008）

閃電在雲內是如何發展的呢？

在雷暴雲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，一端帶正電荷朝著雲內負電荷區發展，另一端帶負電荷朝著雲內的正電荷區發展。

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

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，之後與負先導頭部連接，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。

閃電發展特徵的新發現？

在雲內發生的閃電，由於雲體的遮擋，很難被直接觀測。一般通過探測閃電的輻射信號獲得雲內閃電通道的發展特徵，但是由於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。發展出雲的雲地閃電，是可以通過高速光學手段進行觀測的。

雲地閃電

雖然閃電的發生具有很大的隨機性，但是相對來說，高建築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，從而實現保護高建築的目的。

當建築有效高度超過100米，有趣的現象發生了。在雷暴條件下，高建築物的頂部局地電場最強，可以自己擊穿空氣，始發上行先導，向雷暴雲內發，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，並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，越來越多的高建築落成，上行閃電出現的頻率也隨之增高。

什麼是上行閃電？來源：騰訊視頻

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，以高時空解析度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」的間歇式發展特徵；並從觀測角度澄清了正先導的間歇性發展特徵是其自身的物理屬性，並非周圍負先導通過脈衝電場間接作用導致的結果。

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）

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後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，並最終與主通道發生連接，匯入主通道形成其新的分支。

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，也為今後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。

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.

中國氣象報社出品

審核：段昊書

圖文來源：中國科學院大氣物理研究所 中科院之聲 深圳大事件微信號

作者：袁善鋒

微信編輯：米夏