茍學(xué)強(qiáng) 張義軍 李亞珺 陳明理

1)(西北師范大學(xué)大學(xué)物理與電子工程學(xué)院,蘭州 730070)

2)(復(fù)旦大學(xué)大氣與海洋科學(xué)系大氣科學(xué)研究院,上海 200438)

3)(中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,蘭州 730000)

4)(香港理工大學(xué)屋宇設(shè)備工程學(xué)系,香港)

閃電雙向先導(dǎo)原理的提出及觀測驗(yàn)證是閃電物理研究近幾十年最重要的進(jìn)展之一,而正、負(fù)先導(dǎo)及流光的極性不對稱性及傳輸?shù)某掷m(xù)、間歇性,是理解閃電各種過程物理機(jī)制的關(guān)鍵.本文對閃電雙向先導(dǎo)的概念及進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)和討論,重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了正、負(fù)先導(dǎo)流光傳輸機(jī)制特別是門限電場的不對稱性,闡述了正先導(dǎo)傳輸?shù)倪B續(xù)性及其在閃電始發(fā)、負(fù)先導(dǎo)的空間先導(dǎo)形成、不穩(wěn)定先導(dǎo)通道中的反沖先導(dǎo)建立等過程中獨(dú)特的啟動作用.

1 引 言

閃電的放電本質(zhì),早在兩百多年前已被知曉,然而,直到進(jìn)入20世紀(jì),特別是近一二十年,隨著閃電探測技術(shù)的發(fā)展,大量聲、光、電磁及高能現(xiàn)象的揭示,對閃電的物理本質(zhì)的認(rèn)識才有了新的飛躍,其中一個(gè)重要方面就是關(guān)于閃電起始的雙向先導(dǎo)原理的提出與發(fā)展.早期對閃電放電機(jī)制的解釋,大多基于Schonland[1]提出的源電荷模式(the source charge model),此模型可視為實(shí)驗(yàn)室長間隙放電機(jī)制的外推,其中雷云電荷堆及地面分別類似于實(shí)驗(yàn)室放電中的棒、板電極,放電起始于云電荷堆(云電極),放電通道呈均一電荷分布且單向發(fā)展.實(shí)際上,由于存儲電荷的云霧大氣并不比純凈大氣更易導(dǎo)電,閃電放電并沒有類似的導(dǎo)體電極,其起始必然首先是局部(小尺度)擊穿并形成初始等離子體導(dǎo)電通道(閃電種子或閃電核).Kasemir[2]根據(jù)基本的靜電原理,提出閃電雙向先導(dǎo)(bidirectional leader)原理,即閃電通道可視為雷云強(qiáng)電場中的導(dǎo)體,靜電感應(yīng)的結(jié)果,在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電荷集中和電場增強(qiáng),當(dāng)電場增強(qiáng)到一定程度時(shí),便產(chǎn)生電擊穿,極性相反的通道(正、負(fù)電極)從雷云電場汲取能量并反向發(fā)展,而整個(gè)通道為電中性并基本保持均一電勢.

Mazur[3,4]在飛行器實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)飛機(jī)并不是被閃電擊中,而是飛機(jī)自身觸發(fā)了閃電;此后,對強(qiáng)電場下懸掛導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)[5]及人工觸發(fā)閃電實(shí)驗(yàn)[6]進(jìn)一步驗(yàn)證了雙向先導(dǎo)理論,并發(fā)現(xiàn)正、負(fù)先導(dǎo)的始發(fā)并不同步(門限較高的負(fù)先導(dǎo)存在明顯延遲).閃電甚高頻(very high frequency,VHF)輻射源定位(lightning mapping array,LMA)技術(shù)則顯示閃電云內(nèi)雙向先導(dǎo)過程具有極其豐富的結(jié)構(gòu),并揭示出自然閃電具有不同于常規(guī)(實(shí)驗(yàn)室長間隙雙向先導(dǎo))放電的重要特征:極性不對稱性[7],例如正先導(dǎo)擊穿的輻射功率比負(fù)先導(dǎo)至少低一個(gè)量級[8,9],從而更難以觀測.近年來,高速(微秒及亞微秒時(shí)間分辨率)攝(照)像和光電陣列等光學(xué)觀測手段的應(yīng)用,為自然閃電中雙向先導(dǎo)提供了直接證據(jù)[10,11],同時(shí)揭示出包括閃電始發(fā)[12]、梯級及箭式梯級先導(dǎo)[13?15],反沖先導(dǎo)[16?18]及連接過程[19,20]中的雙向機(jī)制的存在.而最近寬帶干涉高頻LMA的改進(jìn)及應(yīng)用[21,22],可望在云內(nèi)閃電雙向先導(dǎo),特別是正先導(dǎo)及反沖先導(dǎo)的研究上取得新的進(jìn)展.值得一提的是,有關(guān)閃電雙向先導(dǎo)研究,特別是觀測研究方面,中國學(xué)者做出了許多出色的工作[6,15,18,23?31].

基于雙向先導(dǎo)的閃電模擬研究,可對云、地閃電的始發(fā)和傳輸[32],各種類型閃電的形成與雷云電荷結(jié)構(gòu)的關(guān)系[33],閃電在雷雨云中逃逸[34?36],如向下逃逸成為正負(fù)地閃及晴天霹靂(bolts from the blue)和向上逃逸成為藍(lán)色噴流(blue jet)及巨大噴流(gigantic jet)等提供一種統(tǒng)一解釋.雙向先導(dǎo)理論從提出之時(shí)的一度遭冷落,到近50年后被普遍接受,經(jīng)過了一番曲折.雙向先導(dǎo)理論為閃電各種過程的物理機(jī)制解釋,包括閃電在低雷云環(huán)境電場中的始發(fā)、負(fù)先導(dǎo)梯級性的形成、不穩(wěn)定先導(dǎo)通道中二次脈沖(反沖先導(dǎo))的產(chǎn)生,都提供了比較簡單、可靠且統(tǒng)一的機(jī)制[37?40].當(dāng)然,雙向先導(dǎo)理論遠(yuǎn)未完善,隨著研究的深入,先導(dǎo)過程更加復(fù)雜和深層的特征,如閃電放電時(shí)空特征的復(fù)雜性(分形性)及間歇性被揭示出來[41?44],而雙向先導(dǎo)的極性不對稱性、先導(dǎo)通道不穩(wěn)定性、負(fù)先導(dǎo)的梯級間歇性及正先導(dǎo)的先導(dǎo)重燃(restrike)現(xiàn)象,仍是閃電物理研究的焦點(diǎn).本文根據(jù)新近的進(jìn)展,對相關(guān)問題進(jìn)行了總結(jié)和討論.

2 先導(dǎo)的極性不對稱性:連續(xù)及間歇

從根本上說,先導(dǎo)(無論正、負(fù))的產(chǎn)生及發(fā)展,是與其前部的大量流光電子雪崩系統(tǒng)相互依賴、相互作用的結(jié)果[39,45,46].一方面,先導(dǎo)的發(fā)展總是以其前部大量刷狀流光(脈沖電暈:pulsed corona)的始發(fā)為引導(dǎo),流光通過不斷汲取前部強(qiáng)電場區(qū)域(大于擊穿電場Ebreak)的電子雪崩電離形成弱電離通道,并用以儲存電荷和能量;相應(yīng)于流光前部的擊穿電場,流光通道中也存在支持流光傳輸?shù)淖钚￠T限電場Estable,流光發(fā)展中某種內(nèi)在的不穩(wěn)定[39],將形成流光電流及其電熱的聚焦效應(yīng)(先導(dǎo)核),并將冷的、弱導(dǎo)電的、彌散且不穩(wěn)定的流光電暈轉(zhuǎn)化為比較熱的、高導(dǎo)電的、細(xì)且較穩(wěn)定的先導(dǎo)通道.另一方面,先導(dǎo)通道則通過其后不斷刷新的導(dǎo)電性,以較小的通道電場,來維持頭部區(qū)域電荷和電場的集中及新流光的穩(wěn)定始發(fā).同時(shí),無論實(shí)驗(yàn)室長間隙放電還是閃電放電,無論始發(fā)門限、傳輸行為等具有明顯差異,都發(fā)現(xiàn)正、負(fù)先導(dǎo)流光,具有極性不對稱性[7,40,47].圖1為2012年4月12日在美國科羅拉多州的LMA系統(tǒng) (Colorado lightning mapping array,COLMA)[48]觀測到的一次反極性云閃(上部負(fù)電荷區(qū)和下部正電荷區(qū)之間的放電)的VHF定位輻射源圖,圖中正、負(fù)號分別表示正、負(fù)電荷區(qū),紅色為向上發(fā)展的正先導(dǎo)(主要通過反沖先導(dǎo)揭示),藍(lán)色為向下發(fā)展的負(fù)先導(dǎo),反映出正負(fù)先導(dǎo)有明顯的行為差異,如分叉、間歇性等.正負(fù)先導(dǎo)的不對稱性根本上來自于流光過程中正負(fù)離子和電子遷移性的較大差異,而后者比前者約大兩個(gè)量級[49].正、負(fù)流光的傳播基本上表現(xiàn)為高遷移性的電子運(yùn)動,對正先導(dǎo)而言,是電子收斂于流光頭部的強(qiáng)電場區(qū),是容易的方向(綠燈效應(yīng));而對負(fù)先導(dǎo)而言,是電子發(fā)散于遠(yuǎn)離流光頭部的弱電場區(qū),是不易的方向(紅燈效應(yīng)),從而導(dǎo)致正流光更容易始發(fā)和持續(xù)傳輸[40](圖2).一般認(rèn)為,正先導(dǎo)往往發(fā)展較慢,具有連續(xù)性且有大而稀疏的分叉,產(chǎn)生較小的電流及較弱的VHF輻射,而負(fù)先導(dǎo)發(fā)展較快,具有梯級間歇性且有小而頻繁的分叉,產(chǎn)生較大的電流等,然而這些似乎都不是絕對的[7,50].使閃電雙向先導(dǎo)極性不對稱變得更加突出的可能是正極性過程的連續(xù)性和負(fù)極性過程的間歇性.

自然閃電放電不同于實(shí)驗(yàn)室長間隙放電的最明顯也是最重要的特征就是其多脈沖(間歇)性.如負(fù)地閃中電荷一般并不是在高導(dǎo)電通道中一次性釋放,而是被一系列比較長時(shí)間的黯淡間歇所分隔,與此形成對照的是正地閃過程的明顯的持續(xù)性(一次性).同時(shí),在多閃擊負(fù)地閃中,云內(nèi)的正先導(dǎo)過程又表現(xiàn)出某種持續(xù)性,當(dāng)通道下端衰減電流減小并截止時(shí),通道上端比較活躍(連續(xù))的正先導(dǎo),則在上端間歇性地產(chǎn)生著箭式或箭式-梯級負(fù)先導(dǎo)的條件,并讓已衰減的放電通道得以一次次刷新,以激活業(yè)已衰減的舊負(fù)先導(dǎo)通道,啟動新一輪的放電.類似的情況在云閃過程也同樣發(fā)生,即正先導(dǎo)的活躍和負(fù)先導(dǎo)的較長時(shí)間停頓形成了明顯的對照[7,21,51].在云閃中,類似于箭式先導(dǎo)過程的是云中K過程,或者反沖先導(dǎo)(recoil leader),觀測發(fā)現(xiàn)K過程總是產(chǎn)生于正先導(dǎo)端或者正極性擊穿區(qū)域.圖3為2012年6月8日的一次正極性(上部正電荷區(qū)和下部負(fù)電荷區(qū)之間的放電)云閃過程COLMA[48]VHF的LMA圖,可以看出負(fù)先導(dǎo)過程的明顯的間歇性以及起始于正先導(dǎo)端的脈沖性反沖先導(dǎo)(圖中綠色).這種連續(xù)與間歇的極性不對稱性,可能是閃電間歇性本質(zhì)的重要因素.

圖1 2012年4月12日在美國科羅拉多州的LMA系統(tǒng)(COLMA)觀測到的一次反極性云閃雙向先導(dǎo) (a)輻射源高度隨時(shí)間的變化;(b)東西方向立面上的投影;(c)輻射源數(shù)目的高度分布;(d)平面上的投影;(e)南北方向立面上的投影(紅色表示正先導(dǎo),藍(lán)色表示負(fù)先導(dǎo))Fig.1.A bidirectional development of an inverted intra-cloud lightning discharge observed by COLMA system on April 12,2012:(a)Height-time view;(b)height-distance(from west to east)view;(c)sourceheight distribution;(d)plan view;(e)distance-height(from south to north)view(the positive leader is colored red and negative leader colored blue).

圖2 先導(dǎo)極性不對稱示意圖Fig.2.Cartoon illustrating the polar asymmetry for a leader channel in an electric f i eld.

圖3 2012年6月8日一次正極性云閃雙向先導(dǎo)的COLMA定位(其他說明同圖1)Fig.3.A bidirectional development of an intra-cloud lightning discharge observed by COLMA system on June 8,2012(Same as Fig.1 for other illustration).

3 正先導(dǎo)的連續(xù)、間歇性

穩(wěn)定連續(xù)性被認(rèn)為是正先導(dǎo)傳輸?shù)幕咎卣?正先導(dǎo)每一步的發(fā)展都足以在其頭部產(chǎn)生下一步先導(dǎo)的條件[52],如足夠強(qiáng)的流光電暈、電流及相應(yīng)的熱效應(yīng),且在電暈始發(fā)、先導(dǎo)核形成及電流加熱之間存在比較精準(zhǔn)的調(diào)節(jié);同時(shí)存在正先導(dǎo)穩(wěn)定(連續(xù))傳輸?shù)拈撝禇l件,如先導(dǎo)頭部最小電勢差[38,39],流光區(qū)域最小電荷[52],先導(dǎo)核最低溫度[53]等,而這些穩(wěn)定條件的產(chǎn)生又依賴于一定的放電環(huán)境,如較高的先導(dǎo)電壓、較大的電壓上升率及較小的空氣濕度等.當(dāng)這些穩(wěn)定條件不滿足時(shí),則意味著正先導(dǎo)的失穩(wěn)及隨后的先導(dǎo)重激發(fā)(restrike),表現(xiàn)為先導(dǎo)通道突然發(fā)亮及伸長和強(qiáng)烈的電暈爆發(fā)[54?57].但在實(shí)驗(yàn)室長間隙放電條件下,正先導(dǎo)連續(xù)性似乎仍然是主要的,而間歇、梯級性只是一種例外.

其實(shí),即使穩(wěn)定(連續(xù))的正先導(dǎo),如果增大時(shí)空分辨率,也會呈現(xiàn)比較規(guī)則(短)的間歇(跳躍)性[39,58],而不是持續(xù)行進(jìn).間歇性的存在是由于新產(chǎn)生流光需要時(shí)間對通道進(jìn)行收縮及加熱.收縮和加熱的主要機(jī)制是所謂的熱電離不穩(wěn)定性[59](ionization-thermal instability),即軸向上電子數(shù)密度擾動導(dǎo)致的一種正反饋過程:電流增加→焦耳熱增加→通道膨脹→壓強(qiáng)減小→折合電場減小→碰撞電離加強(qiáng)→導(dǎo)電性和電流進(jìn)一步上升.隨著溫度的上升,通道中的電子產(chǎn)生機(jī)制由碰撞電離變?yōu)榫喓辖怆x,產(chǎn)生流光到先導(dǎo)的突然轉(zhuǎn)變[39,46,58,60],熱電離不穩(wěn)定性可能是先導(dǎo)通道進(jìn)一步加熱及導(dǎo)電性增強(qiáng)的重要機(jī)制.雖然如此,在實(shí)驗(yàn)室長間隙放電條件下,正先導(dǎo)在某種程度(小尺度)或某些條件(失穩(wěn))下呈現(xiàn)某種梯級、間歇性,但連續(xù)性是主要的,而梯級性可能只是一種補(bǔ)充.

近十幾年來,關(guān)于閃電正先導(dǎo)梯級性的討論增多,如早期人工觸發(fā)閃電中火箭上升階段的間歇性電流脈沖[61]、近年來人工觸發(fā)閃電中向上正先導(dǎo)的發(fā)光及電流脈沖[24]、自然閃電向下正先導(dǎo)中類似負(fù)先導(dǎo)的梯級光脈沖[62]及正先導(dǎo)過程中的電磁脈沖[25]、正先導(dǎo)擊穿高頻輻射脈沖[26]、高塔上自持正先導(dǎo)的梯級性[13]等.閃電正先導(dǎo)過程的脈沖、間歇性的觀測,似乎揭示出閃電過程可能不同于實(shí)驗(yàn)室條件下(連續(xù)性為主)正先導(dǎo)傳輸模式的存在.從另一方面來講,脈沖、間歇性不一定就等同于梯級性,因?yàn)樘菁壭允紫纫馕吨葘?dǎo)通道的突然(比較大)伸長[63],如果只是正先導(dǎo)流光的重新始發(fā),則并不意味著此后的梯級性.目前,在正先導(dǎo)機(jī)制研究中,關(guān)于間歇性、梯級性相聯(lián)系的先導(dǎo)空間莖(stem)的引發(fā)及轉(zhuǎn)化機(jī)制的研究仍然缺乏,但有理由認(rèn)為,類似于負(fù)先導(dǎo)的梯級性,具有梯級性正先導(dǎo)的空間先導(dǎo)核必然遠(yuǎn)離先導(dǎo)頭部,這樣才可能有先導(dǎo)的突然伸長,且此先導(dǎo)的重新始發(fā)必然與流光通道中某種不穩(wěn)定相聯(lián)系.除了前述熱電離的不穩(wěn)定性,可能還有另一個(gè)重要的不穩(wěn)定性:即附著不穩(wěn)定性(attachment instability)[64],此種不穩(wěn)定性將加劇流光通道中電特性的不均勻,將通道分成高電場、低導(dǎo)電性和低電場、高導(dǎo)電性相間的珠鏈(bead)結(jié)構(gòu),并可能引發(fā)新的(二次)擊穿[65,66].Rison等[12]通過改進(jìn)的連續(xù)寬帶干涉VHF輻射源定位觀測[21]發(fā)現(xiàn),窄雙極脈沖(narrow bipolar pulse,NBP)正是起始于閃電初始快速(約107m/s)正(流光)擊穿過程.由于這種快速正流光事件在包括云閃、地閃、晴空霹靂及高空閃電中都存在,故推測所有閃電都由快速正流光引發(fā),并推測流光通道中的某種不穩(wěn)定將快的正流光轉(zhuǎn)化為慢的正先導(dǎo),并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為具有負(fù)先導(dǎo)的雙向先導(dǎo),這給長期懸而未決的關(guān)于閃電始發(fā)的正流光理論[67]以有力的觀測支持.Stock等[22]也報(bào)道了寬帶干涉定位觀測由云閃K變化(反沖先導(dǎo))及地閃回?fù)暨^程的強(qiáng)電位波始發(fā)的快速正流光過程,并注意到這些正流光過程(包括開始的NBP)與閃電精靈(sprite)正擊穿過程完全類似.Luque等[66]研究了閃電精靈中的珠鏈結(jié)構(gòu),并把它的產(chǎn)生與附著不穩(wěn)定性相聯(lián)系.Zhang等[26]通過對人工觸發(fā)閃電的寬帶干涉定位觀測,發(fā)現(xiàn)始發(fā)于先導(dǎo)前部區(qū)域的類似于云閃中K變化的反沖過程.閃電過程中,最令人費(fèi)解也最重要的應(yīng)該就是與前述多過程相聯(lián)系的二次擊穿的產(chǎn)生,如云閃中大量的K過程、負(fù)地閃中的多回?fù)暨^程,而這些過程的始發(fā)基本上與正先導(dǎo)擊穿相聯(lián)系.因此,我們有理由相信,閃電過程中的快速正擊穿流光可能類似于正先導(dǎo)起始階段及不穩(wěn)定傳輸階段重新始發(fā)的正流光電暈,而這些正流光中的某種不穩(wěn)定(如附著不穩(wěn)定)及由此形成的先導(dǎo)前部流光區(qū)域的不均勻性所導(dǎo)致的二次擊穿可能正是正先導(dǎo)某種間歇、梯級性的重要機(jī)制.當(dāng)雙向先導(dǎo)的負(fù)先導(dǎo)通道部分衰退以至于停止時(shí),相應(yīng)的正先導(dǎo)通道中相對容易的正流光過程,不僅通過未電離空氣中的快速擊穿,隨時(shí)恢復(fù)(啟動)失穩(wěn)的正先導(dǎo),而且不時(shí)通過已部分電離通道中的某種不穩(wěn)定(熱電離不穩(wěn)定)引發(fā)反沖擊穿(反沖先導(dǎo)),呈現(xiàn)一種時(shí)間和空間上不規(guī)則的間歇.主要由于擊穿門限的差異,正先導(dǎo)所謂的間歇性(甚至梯級性)可能只是正先導(dǎo)傳輸中的某種暫時(shí)的失穩(wěn)和重新始發(fā),而正先導(dǎo)流光的連續(xù)性則是主要的,并決定著整個(gè)閃電放電過程.

4 負(fù)先導(dǎo)的梯級性、間歇性

與正先導(dǎo)的連續(xù)性形成鮮明對照的是負(fù)先導(dǎo)的梯級性、間歇性.早在20世紀(jì)30年代,Schonland等[68]就通過條紋相機(jī)發(fā)現(xiàn),負(fù)先導(dǎo)傳輸表現(xiàn)為一系列短暫(約微秒量級)發(fā)亮的階梯逐級伸向地面,一次梯級使先導(dǎo)跳躍約幾十到上百米(梯級長度),連續(xù)兩次跳躍之間是較長時(shí)間(約幾十微秒)黯淡的暫停間歇(梯級間歇).然而,對負(fù)先導(dǎo)梯級性機(jī)制的研究進(jìn)展,則基本上依賴于此后實(shí)驗(yàn)室長空氣間隙放電實(shí)驗(yàn),比較重要的如Gorin等[69],Les Renardieres Group[70]及最近Kochkin等[71]關(guān)于負(fù)先導(dǎo)梯級始發(fā)的前驅(qū)機(jī)制的觀測,即明亮梯級過程并不是始發(fā)于暫止的先導(dǎo)頭部區(qū)域,而是在遠(yuǎn)離先導(dǎo)頭部的脈沖電暈區(qū)(約一個(gè)梯級長度)處出現(xiàn)(多處)不均勻且孤立的斑點(diǎn)或空間莖.空間莖兩端出現(xiàn)極性相反的電暈,并轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向發(fā)展的空間先導(dǎo),其中反向發(fā)展的正先導(dǎo)與原主先導(dǎo)頭部迅速接近,電場迅速增強(qiáng),當(dāng)完成最后一跳時(shí),產(chǎn)生類似小回?fù)舻妮^強(qiáng)的梯級電流和明亮脈沖,并伴隨包括X射線之內(nèi)的高能級高頻輻射.梯級脈沖呈雙向傳輸,向后使較長的通道發(fā)亮,向前則使先導(dǎo)伸長一個(gè)梯級長度,之后并不停止,而是馬上始發(fā)下一次的脈沖電暈(圖4).閃電的光電陣列觀測[72,73]及高速攝像觀測[74]證實(shí)了閃電負(fù)先導(dǎo)梯級脈沖的雙向傳輸.關(guān)于閃電中類似于實(shí)驗(yàn)室長間隙梯級先導(dǎo)空間先導(dǎo)機(jī)制的直接證據(jù),基本上都來自于近年來人工及自然閃電高速攝像觀測[13,74,75].這些觀測同時(shí)發(fā)現(xiàn)了流光區(qū)域中多個(gè)(串狀或并列)空間莖及先導(dǎo)的存在,揭示出梯級過程的彎曲及分叉機(jī)制[15,27,28].然而,由于問題的復(fù)雜性,負(fù)先導(dǎo)梯級性機(jī)制和空間莖的產(chǎn)生等一些關(guān)鍵問題仍遠(yuǎn)未清楚.傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為,空間莖是源于電暈通道遠(yuǎn)端正負(fù)離子弛豫過程產(chǎn)生的空間電荷效應(yīng)[45],而最近關(guān)于實(shí)驗(yàn)室負(fù)先導(dǎo)的光學(xué)高分辨觀測[71]則發(fā)現(xiàn),空間莖是產(chǎn)生于負(fù)流光區(qū)域中的普遍存在的珠狀(bead)結(jié)構(gòu).可以說,對自持傳輸?shù)呢?fù)先導(dǎo)而言,這些珠狀結(jié)構(gòu)可能是其常態(tài),且珠狀結(jié)構(gòu)與原先導(dǎo)頭部之間的強(qiáng)場區(qū),不僅使產(chǎn)生連接的正流光容易始發(fā),而且也更容易傳輸(綠燈效應(yīng)).最近,Kostinskiy等[57]報(bào)道了梯級正先導(dǎo)過程中可能的空間珠狀結(jié)構(gòu),但目前對這種正先導(dǎo)中的珠狀結(jié)構(gòu)的研究仍非常有限.盡管如此,我們?nèi)杂欣碛上嘈?在失穩(wěn)(如強(qiáng)電位波或分叉等產(chǎn)生的屏蔽效應(yīng))條件下,大量容易始發(fā)和傳輸?shù)恼鞴獾拇嬖诩捌洚a(chǎn)生的空間電荷效應(yīng),也會在正流光區(qū)產(chǎn)生珠狀結(jié)構(gòu).但對于正先導(dǎo)而言,即使珠狀結(jié)構(gòu)在其前端正流光區(qū)中存在,也可能使向后(朝向正先導(dǎo)頭部)的連接負(fù)流光由于門限較高而難以產(chǎn)生,而較容易產(chǎn)生的正流光由于向前進(jìn)入弱電場區(qū)(紅燈效應(yīng))而往往不能持續(xù),從而使反沖性的正先導(dǎo)梯級性過程更難產(chǎn)生.但這種弱的向前的正流光的存在遲早會啟動產(chǎn)生反向的連接負(fù)流光,從而產(chǎn)生正先導(dǎo)的梯級間歇性(重激發(fā)).

圖4 負(fù)先導(dǎo)梯級性機(jī)制卡通圖(修改自Lapierre[76])Fig.4.Cartoon illustrating the negative leader stepping process(Adapted from Lapierre[76]).

負(fù)先導(dǎo)的梯級性機(jī)制無疑是閃電先導(dǎo)研究中最為困難的問題之一[77],然而從先導(dǎo)形成的角度來看,較長(上百米)的先導(dǎo)通道特征并無明顯的極性差異[58],這使得先導(dǎo)是梯級還是連續(xù)發(fā)展顯得不那么重要,而重要的是負(fù)先導(dǎo)自持傳輸(穩(wěn)定性)條件.根據(jù)Bazelyan等[58]的研究,決定正負(fù)先導(dǎo)自持傳輸?shù)氖撬^電勢差條件,即先導(dǎo)始發(fā)及傳輸是由先導(dǎo)頭部相對于未擾動背景電勢差所控制的,當(dāng)這種電勢差達(dá)到一定閾值時(shí),先導(dǎo)才可始發(fā)并持續(xù)傳輸.為使先導(dǎo)持續(xù)傳輸,先導(dǎo)頭部電勢差至少不應(yīng)隨先導(dǎo)的行進(jìn)而減少,這就要求先導(dǎo)通道電場必須小于背景電場.由于先導(dǎo)通道的負(fù)微分電阻特性,即通道兩端電壓(也即通道內(nèi)縱向電場)與通道內(nèi)電流成反比,電流與先導(dǎo)傳輸速度成正比,而先導(dǎo)速度又與先導(dǎo)頭部電勢差的平方根成正比,這就反過來要求通道必須滿足一定的持續(xù)行進(jìn)的電勢差閾值條件.Lalande等[61](同時(shí)見Mazur[38])對先導(dǎo)頭部電勢差進(jìn)行了更加詳細(xì)的闡述(圖5),圖中H,LLC分別代表始發(fā)先導(dǎo)的建筑物高度、先導(dǎo)及前部電暈通道的長度,ace為通道半徑.考慮先導(dǎo)電暈鞘電荷及頭部電暈電荷(電荷線密度為qce)的“屏蔽”作用對先導(dǎo)頭部電勢差?ΦT的修正:由于負(fù)先導(dǎo)通道電荷線密度通常約是正先導(dǎo)的兩倍,從而對先導(dǎo)的抑制作用更加明顯,而且負(fù)先導(dǎo)穩(wěn)定傳輸所需要的背景電場也大約是正先導(dǎo)的兩倍,這就解釋了正負(fù)先導(dǎo)始發(fā)及傳輸所需背景電場門限的差異.雖然如此,相比于大量關(guān)于正先導(dǎo)連續(xù)性以及負(fù)先導(dǎo)梯級機(jī)制的討論而言,關(guān)于負(fù)先導(dǎo)持續(xù)性的討論仍非常有限.但有理由相信,與正先導(dǎo)相比,負(fù)先導(dǎo)(流光)更不容易始發(fā)和持續(xù)傳輸,負(fù)先導(dǎo)的始發(fā)和重新始發(fā)、傳輸?shù)拿恳徊?每個(gè)梯級)都離不開正先導(dǎo)的引導(dǎo)和輔助,這可能構(gòu)成了負(fù)先導(dǎo)過程真正的梯級性和間歇性,而持續(xù)性可能只是一種補(bǔ)充.

圖5 地面物體上正先導(dǎo)的縱向電勢分布(改自Mazur[38])Fig.5.Longitudinal potential distribution along the path of an upward positive leader developing from a ground structure(Adapted from Mazur[38]).

5 反沖先導(dǎo):通道不穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)變

閃電先導(dǎo)過程最不同于實(shí)驗(yàn)室長間隙放電的可能莫過于反沖先導(dǎo)了.早期的研究中,反沖先導(dǎo)一般被稱為K變化,或反沖流光,指發(fā)生在閃電(地閃或云閃J連接過程)中類似于小回?fù)舻碾妶雒}沖過程,并認(rèn)為其產(chǎn)生是云中延伸的先導(dǎo)與新的極性相反的電荷堆的相遇,這當(dāng)然是與無導(dǎo)體電極的雙向先導(dǎo)概念不相容的.長期以來,反沖先導(dǎo)被認(rèn)為是負(fù)極性的,即從通道正先導(dǎo)端反向輸送負(fù)電荷至負(fù)先導(dǎo)端,而Williams和Heckman[47]則認(rèn)為反沖先導(dǎo)其實(shí)也是雙向發(fā)展的,是又一個(gè)雙向先導(dǎo)中的小雙向(先導(dǎo)),這一點(diǎn)也被高速攝像等光學(xué)觀測所證實(shí)[17,79].大量觀測表明,反沖先導(dǎo)的始發(fā)總是位于負(fù)電勢阱區(qū)的正先導(dǎo)端,這也成為閃電研究中最為困難和令人困惑的問題.目前關(guān)于閃電先導(dǎo)的模擬中并未包括反沖先導(dǎo)過程,對反沖先導(dǎo)產(chǎn)生機(jī)制也沒有比較清晰且被普遍接受的解釋,其中比較一致的看法是反沖先導(dǎo)源于雙向先導(dǎo)傳輸中的某種不穩(wěn)定所引發(fā)的通道電流截止(cutof f).Heckman[79]認(rèn)為,云中不斷伸展的正先導(dǎo)端可作為一種電流源,且當(dāng)此電流超過一定門限時(shí),通道才保持穩(wěn)定,而當(dāng)此電流低于門限時(shí),通道的負(fù)微分電阻特性引發(fā)的不穩(wěn)定,使(負(fù)先導(dǎo))一端通道電流截止,而另一端(正先導(dǎo)端)產(chǎn)生電荷累積,并引發(fā)新的擊穿.Mazur和Runke[38,80]認(rèn)為Heckman[79]理論中把閃電通道等效為電弧電阻與電容的并聯(lián)并不正確,但即使Heckman的理論正確,也可能只適合于單極性(一端接地或一端電流已截止的情形)[51,80].文獻(xiàn)[40,47]進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了雙向先導(dǎo)中傳輸速度的極性不對稱:負(fù)先導(dǎo)具有更大的速度和電流,從而更容易使通道保持穩(wěn)定,而正先導(dǎo)由于速度和電流較小,從而容易引發(fā)通道不穩(wěn)定和反沖擊穿.這里也存在問題:首先,由于通道發(fā)展速度決定于通道頭部相對于背景云電勢的電勢差,先導(dǎo)速度可能更多地決定于云背景電勢,特別是先導(dǎo)頭部所在背景電勢阱的深度,而不是先導(dǎo)的極性;其次,如果先導(dǎo)的速度呈現(xiàn)極性不對稱,那么由于先導(dǎo)通道電勢為通道所在云背景電勢的平均值[39],通道電勢將向發(fā)展較快的一側(cè)偏移[7],這樣所謂負(fù)先導(dǎo)的速度和電流較大可能就不是絕對的.Mazur和Ruhnke[80]及Mazur[38]則強(qiáng)調(diào)了雙向先導(dǎo)中另一種極性不對稱:分叉不對稱.認(rèn)為先導(dǎo)通道的分叉及其屏蔽效應(yīng),使通道電場減小,電流截止并產(chǎn)生電荷積累,引發(fā)反沖擊穿,由于負(fù)先導(dǎo)分叉小而頻繁,分叉間距短,而正先導(dǎo)分叉分支大而稀疏,分叉間距長,因此后者更有利于反沖先導(dǎo)的產(chǎn)生,但此假設(shè)無論從理論還是觀測方面的研究仍非常有限.

根據(jù)上述討論,反沖先導(dǎo)應(yīng)該產(chǎn)生于與先導(dǎo)通道負(fù)微分電阻特性相關(guān)的通道不穩(wěn)定.但這種不穩(wěn)定應(yīng)該不是一種先導(dǎo)通道的常態(tài),而可能意味著兩種狀態(tài)——導(dǎo)體態(tài)和半絕緣態(tài)的突然轉(zhuǎn)化[81],而且這種轉(zhuǎn)變可能與兩個(gè)不同的門限電勢差相聯(lián)系(圖6).當(dāng)先導(dǎo)通道兩端的電勢差增大到一定程度(U2)時(shí),以反沖先導(dǎo)的出現(xiàn)為標(biāo)志,通道由半絕緣態(tài)突變到大電流的導(dǎo)體狀態(tài)(上部),此時(shí)通道可能表現(xiàn)出比較穩(wěn)定的非負(fù)微分電阻特性,而當(dāng)先導(dǎo)通道兩端電壓降到一定低限(U1)時(shí),通道變得不穩(wěn)定并突變到電流減小甚至消失的半絕緣態(tài)(下部),此時(shí),通道要恢復(fù)到導(dǎo)電態(tài)可能需要增加到較大的電勢差(U2).Heckman[79]認(rèn)為具有負(fù)微分電阻特性的先導(dǎo)通道是不穩(wěn)定的,但當(dāng)電流增加到一定門限時(shí),又變?yōu)榉€(wěn)定的.Mazur和Ruhnke[80]堅(jiān)持先導(dǎo)通道在整個(gè)電流范圍的負(fù)微分電阻特性,但這似乎又與他們所說的通道在一定條件下的穩(wěn)定性是矛盾的,而這種矛盾可能需要把微分電阻特性從先導(dǎo)通道擴(kuò)展到先導(dǎo)通道兩端的流光系統(tǒng)才可解決.

圖6 閃電先導(dǎo)通道的負(fù)微分電阻特性及雙穩(wěn)態(tài)示意圖Fig.6.Illustration of the negative dif f erential resistance and bi-stable state of lightning leader channel.

圖7 地閃雙向先導(dǎo)的電勢演變模擬(通道發(fā)展階段依次用數(shù)字1—7標(biāo)示,更多細(xì)節(jié)可參考Chen等[82])Fig.7. Evolution of potential prof i les of developing negative cloud-to-ground leader(the stages of bidirectional leader extension are marked with numbers 1–7,for more details refer Chen et al.[82]).

與實(shí)驗(yàn)室單極性放電相比,由于閃電先導(dǎo)內(nèi)在的極性不對稱性以及傳輸中背景電勢的不對稱性,雙向先導(dǎo)可能更不穩(wěn)定.根據(jù)數(shù)值模擬,無論地閃(圖7)還是云閃(圖8),當(dāng)先導(dǎo)速度極性不對稱時(shí)(如負(fù)先導(dǎo)發(fā)展較快),通道電勢將向發(fā)展較快(負(fù)先導(dǎo)所在)的一側(cè)偏移,從而使通道電勢增大,使先導(dǎo)的傳輸趨向更加穩(wěn)定的對稱.從圖7和圖8中還可以看出,通道發(fā)展中,這種由不穩(wěn)定向穩(wěn)定的自動調(diào)節(jié),應(yīng)該是通道穩(wěn)定(導(dǎo)體)態(tài)存在的一種表現(xiàn).然而,當(dāng)失衡到達(dá)一定程度時(shí),則自我調(diào)節(jié)失效,需要有反沖先導(dǎo)的出現(xiàn),以達(dá)到新的平衡,此種情形可多次循環(huán),直至放電消失.至于反沖先導(dǎo)引發(fā)的具體機(jī)制以及為何始發(fā)于正先導(dǎo)端,目前雖沒有確定的結(jié)論,但有理由相信,無論哪一種機(jī)制,正負(fù)先導(dǎo)傳輸所需背景門限電場的明顯差異(后者約是前者的兩倍)可能是非常重要的因素.

圖8 云閃雙向先導(dǎo)的電勢演變模擬Fig.8.Evolution of potential prof i les of bidirectional developing intra-cloud leader.

6 結(jié) 論

雙向先導(dǎo)及其傳輸機(jī)制,是閃電物理的核心問題.本文根據(jù)閃電研究的最新進(jìn)展,對閃電雙向先導(dǎo)的理論、正、負(fù)先導(dǎo)及反沖先導(dǎo)的觀測特征及機(jī)制進(jìn)行了比較和總結(jié),系統(tǒng)闡述了正負(fù)先導(dǎo)中連續(xù)性和間歇梯級性機(jī)制,強(qiáng)調(diào)了閃電雙向先導(dǎo)中正負(fù)先導(dǎo)傳輸門限電場的不對稱性,進(jìn)一步指出正流光可能在閃電各種脈沖始發(fā)過程,如閃電始發(fā)、先導(dǎo)梯級性形成、反沖先導(dǎo)激發(fā)等過程中的獨(dú)特作用.根據(jù)先導(dǎo)通道的負(fù)微分電阻特性及相應(yīng)的通道不穩(wěn)定性,提出了雙向先導(dǎo)通道可能的雙穩(wěn)態(tài)性.其中一些問題,特別是反沖先導(dǎo)產(chǎn)生及通道穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)化,仍需要通過數(shù)值模式進(jìn)行更加深入的探討.

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