第三章闪电现象

第三章闪电现象发生于大气中的瞬时大电流、高电压、长距离闪电放电现象，其大多数与雷暴云相联系。

虽然在雪暴、沙尘暴、火山爆发以及核爆炸产生的蘑菇云中偶尔也可观测到闪电现象，但是研究较少，本章将介绍与雷暴云有关的闪电现象，包括地闪、云闪、球状闪电和蛛状闪电的宏观特征以及伴随它们产生的雷声、天电等现象。

3.1 闪电的分类通常情况下，一半以上的闪电放电过程发生在雷暴云内的主正、负电荷区之间，称作云内放电过程，云内闪电与发生几率相对较低的云间闪电和云－空气放电一起被称作云闪。

另一类闪电则是发生于云体与地面之间的对地放电，称为地闪，地闪和云闪的实际拍摄照片可参见图1-1、图1-2和图1-3。

虽然最频繁发生的闪电是云闪，但是由于地闪对地面物体所造成的严重威胁，以及它的放电通道暴露于云体之外易于光学观测，因此目前对地闪放电过程已经有了相对较系统的研究。

Berger(1978)按照地闪先导所转移电荷的极性和运动方向将地闪分为四种形式，如图3-1 所示。

第一种形式常被称为下行负地闪，占全部地闪的90%以上，它由向下移动的负极性先导激发，因此向地面输送负电荷；第二种闪电也由下行先导激发，但是先导携带正电荷，因此向地面输送正电荷，被称为下行正地闪，这种类型的闪电少于全部闪电的10%。

第三和第四种类型的闪电由从地面向上移动的先导激发，被称为上行闪电（上行雷）。

上行闪电一般比较罕见，通常发生在高山顶上或人工的高建筑物上。

第三种闪电先导携带正电荷，因此对应于云中的负电荷向地面的输送，而第四种闪电则对应于负极性先导，因此将云中的正电荷向地面输送。

随着目前城镇高建筑物的增多，上行放电有略增的趋势。

利用火箭拖带细导线技术的人工引发雷电（见本书第六章）实际上是一种上行闪电。

通常，将向地面输送负电荷的闪电（第一、第三种类型）称为负闪，向地面输送正电荷的闪电（第二、四种类型）称为正闪。

图3-1 四种不同类型的地闪示意图3.2 负地闪放电过程负地闪放电过程定义为将云内的负电荷输送到地面的放电过程。

一次始于云中的负地闪放电过程通常将几十库仑的负极性云电荷带到地面。

按照国际惯例，一次完整的闪电过程定义为一次“闪电(flash或 lightning flash)”，其持续时间为几百毫秒到1秒钟不等。

一次闪电包括一次或几次大电流脉冲过程，被称为“闪击(stroke)”,而其中最强的快变化部分叫“回击（return stroke）”。

闪击之间的时间间隔一般为几十毫秒，对地闪电在人眼中所呈现的闪烁，便是由几次闪击所造成的。

本书第四章将给出有关负地闪过程的详细讨论，本节只给出有关负地闪过程的一些定性描述和毫秒级放电特征。

下面将以负地闪过程为例来阐述地闪的发展过程。

图3-2是一次负地闪所包含的各种物理过程随时间的发展示意图。

大电流首次回击过程由从云到地的一系列间歇性突跳式行进的梯级先导(stepped leader)触发。

而梯级先导又由云中的预击穿过程(preliminary breakdown process)激发。

尽管对于预击穿过程的位置和确切的形式还有一些分歧，但一般认为预击穿过程发生于云中的负电荷区和云下部的正电荷区之间。

预击穿过程是云电荷向地面输送的第一步，其持续时间从几毫秒到几百毫秒不等。

光学观测表明，先导的一个梯级一般持续约1μs，其长度为几十米，梯级间的间歇时间为50图3-2 一次负地闪所包含的各种物理过程随时间的发展示意图（Uman, 1987）。

μs左右。

梯级先导过程总体有向下运动的趋势，总持续时间一般为几十毫秒。

一个发展充分的梯级先导在几十毫秒内向下输送大于10C以上的负极性云电荷。

平均的先导电流是300A。

单个梯级有至少1kA的脉冲电流，与之相对应的电场和磁场也是脉冲形的，其脉冲宽度约为1微秒，上升时间小于0.1μs。

在梯级先导向地面传输的过程中，可能会发生分叉现象。

图3-3a和b分别给出了利用条纹相机（Streaking camera 或Boys camera）拍摄到的一次始于云内的负地闪过程（类型1）和正地闪过程（类型2）的条纹照片。

两张照片最早都来源于Berger and Volgelsange(1966)。

照片开始的短亮线条或光带是由先导过程的向下传播而产生的，而后面的连续长亮线条或光带是由回击产生的。

图3-4是根据条纹照相画出的负地闪发展过程（类型1）示意图。

图3-3 始于云内的地闪过程条纹照片。

(a) 负地闪；(b) 正地闪图3-4负地闪发展过程示意图（a）静止照相,(b)Boys相机（Magono, 1980）下行负先导（downward negative leader）的头部相对于地面的电位超过107V。

当先导头部接近地面时，地面的自然尖端或高大建筑物等突出物体上会自行超过空气的击穿电场，并在这些突出物体上诱发一个或几个上行的放电即上行先导(upward leader)，如图3-5所示。

由此产生所谓的连接过程（attachment process）。

当一个或几个这样的上行先导在地面上方几十米的地方与下行先导相接时，先导头部的电位突然碰到很近于地电位的上行先导，这时首次回击过程便开始了。

地电位波（即回击）沿着已经电离的先导通道连续向上传播,在接近地面时，回击上行的速度大约为光速的三分之一，并随高度而衰减，从地面到通道顶部的时间一般是100μs。

回击在地面附近产生峰值电流，约为30kA，这就是首次回击的大电流脉冲，它从0到峰值的上升时间约为几微秒。

从地面测量到的电流在50μs内下降到峰值的一半，几百安培的电流在几毫秒到几百毫秒内将持续沿着通道流动。

回击能量的迅速释放将加热原先的先导通道，成为回击通道。

由观测及室内实验证明，回击通道的电流核心为一厘米左右。

通道的温度在瞬间达到图3-5 一次击中Manasquan 海滨沙滩的闪电照片。

照片中除主放电通道外，还可以看到两个没有与下行先导相连接的上行先（取自Fig.6.5, Uman, 1987）。

30000K，由此产生的高压使通道迅速扩张，并产生冲击波，最终变成雷声。

回击有效地将原来沉积在先导通道中的电荷以及在通道顶部的电荷输送到了地面，产生的随时间变化的电场变化可以从亚微秒量级到几毫秒。

图3-6给出了一次负地闪首次电场前后在不同的距离上产生的电场变化。

本书按照国际惯例，规定将云内负电荷释放到地面（即对应于云内负电荷的减少）的地闪在地面产生的电场变化为正。

图中B代表预击穿过程，持续时间为2-10ms；I代表由预击穿过程向梯级先导转化的一个寂静期，称为中间（Intermediate）过程，持续时间一般为几毫秒到几百毫秒；L代表梯级先导，持续时间一般为4-30ms；R代表回击过程，J(Junction)代表回击之间的除去L，R的过程，简称击间(Interstroke)过程。

首次回击电流停止后，放电过程如果停止，则称为单闪击闪电。

如果在较短的时间内通道顶部能重新聚集起足够的电荷，则可能发生以直窜先导（dart leader）或直窜——梯级先导(stepped-dart leader)引导的继后回击(subsequent return stroke)。

直窜先导有可能沿着原来的梯级先导向下传播，图3-6 负地闪在不同距离上产生的典型电场变化波形示意图（频率范围200Hz-20kHz）。

图a、b、c、d分别为2km、5km、50km和500km处的电场。

典型持续时间：B过程持续2-10ms；I过程持续0-400ms；L过程持续4-30ms。

（Clarence and Malan, 1957; Schonland, 1956）。

传播速度为3×106m/s。

通常一次对地的放电过程中可包含一次或几次先导——回击过程，回击过程和之后的直窜先导之间在云内会发生电场变化缓慢的J过程或者连续电流（continuing current）过程。

直窜先导向地面输送约1C的电荷，电流为1kA。

一些先导以直窜先导开始，在向地面传输的过程中可能会变成梯级先导，这种先导被称为直窜——梯级先导。

与第一次的梯级先导——回击相比，后来的直窜先导——回击一般没有分叉。

直窜先导的电场变化一般持续时间为1ms，其引导的继后回击电场变化与首次回击类似，一般认为比首次回击弱2倍左右。

但，近来越来越多的研究表明，至少在1/3的闪电中，有一次或一次以上的回击过程比首次回击强（Thottappillil et al., 1992；Cooray and Perez, 1994；郄秀书等，2000）。

继后回击的电流从0到峰值的持续时间比首次回击短，但最大的电场变化率类似。

表3-1给出了负地闪放电过程的毫秒级特征参量（同时参照表3-4）。

表中参量是综合Schonland et al.(1938)、Malan and Schonland(1951)、Pierce(1955)、Clarence and Malan(1957)、Kitagawa and Brook(1960)、Ishikawa(1961)、Krehbiel et al.(1979)、Thomson(1980)、Beasley et al.(1982)、Richard et al.(1986)、Proctor(1988)、Rakov and Uman(1990)、Kawasaki(1992)、Rakov(1994)、余晔等（2000）以及Uman(1969)观测结果得到的。

更高时间分辨率的放电特征，可以参见第四章。

表3-1 负地闪放电过程的毫秒级特征参量（同时参照表3-4）负极性云地闪电最小典型值最大总体情况回击数回击间时间间隔（ms）梯级先导持续时间（ms）梯级长度（m）梯级间隔（μs）平均速度（⨯105 m/s）沉积电荷（C）平均电流（A）梯级电流峰值（kA）首次回击峰值电流 (kA)速度 (⨯107 m/s)直窜先导持续时间(ms)传播速度(⨯106 m/s)沉积电荷(C)平均电流(A)直窜-梯级先导梯级长度(m)先导间隔(μs)平均速度(m/s)继后回击峰值电流(kA)速度 (⨯108 m/s) 1 3-4 263 40-80 1003 6-20 50 3 50 200 30 50 125 1.0 2 2.6 3 5 20 300≥1-22 10-40 110 2.0 10 >1421.0 22.1 0．2 1 650010101⨯106101回击之间的时间间隔通常为几十毫秒，但是如果通道中在回击之后有连续电流流过的话，时间间隔可能会上升到1/10s。

连续电流大小一般为100A左右，是云中电荷直接向地面的转移。

由连续电流产生的电场变化通常是缓慢的，持续时间为100ms，并将几十库仑的电荷输送到地面。

大约有1/4到1/2的地闪过程中包含有连续电流过程。