茍學強 張義軍 李亞珺 陳明理

1)(西北師范大學大學物理與電子工程學院,蘭州 730070)

2)(復旦大學大氣與海洋科學系大氣科學研究院,上海 200438)

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

4)(香港理工大學屋宇設備工程學系,香港)

閃電雙向先導原理的提出及觀測驗證是閃電物理研究近幾十年最重要的進展之一,而正、負先導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制的關鍵.本文對閃電雙向先導的概念及進展進行了總結(jié)和討論,重點強調(diào)了正、負先導流光傳輸機制特別是門限電場的不對稱性,闡述了正先導傳輸?shù)倪B續(xù)性及其在閃電始發(fā)、負先導的空間先導形成、不穩(wěn)定先導通道中的反沖先導建立等過程中獨特的啟動作用.

1 引 言

閃電的放電本質(zhì),早在兩百多年前已被知曉,然而,直到進入20世紀,特別是近一二十年,隨著閃電探測技術的發(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)的認識才有了新的飛躍,其中一個重要方面就是關于閃電起始的雙向先導原理的提出與發(fā)展.早期對閃電放電機制的解釋,大多基于Schonland[1]提出的源電荷模式(the source charge model),此模型可視為實驗室長間隙放電機制的外推,其中雷云電荷堆及地面分別類似于實驗室放電中的棒、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.實際上,由于存儲電荷的云霧大氣并不比純凈大氣更易導電,閃電放電并沒有類似的導體電極,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(bidirectional leader)原理,即閃電通道可視為雷云強電場中的導體,靜電感應的結(jié)果,在導體兩端產(chǎn)生電荷集中和電場增強,當電場增強到一定程度時,便產(chǎn)生電擊穿,極性相反的通道(正、負電極)從雷云電場汲取能量并反向發(fā)展,而整個通道為電中性并基本保持均一電勢.

Mazur[3,4]在飛行器實驗中首次發(fā)現(xiàn)飛機并不是被閃電擊中,而是飛機自身觸發(fā)了閃電;此后,對強電場下懸掛導體實驗[5]及人工觸發(fā)閃電實驗[6]進一步驗證了雙向先導理論,并發(fā)現(xiàn)正、負先導的始發(fā)并不同步(門限較高的負先導存在明顯延遲).閃電甚高頻(very high frequency,VHF)輻射源定位(lightning mapping array,LMA)技術則顯示閃電云內(nèi)雙向先導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)(實驗室長間隙雙向先導)放電的重要特征:極性不對稱性[7],例如正先導擊穿的輻射功率比負先導至少低一個量級[8,9],從而更難以觀測.近年來,高速(微秒及亞微秒時間分辨率)攝(照)像和光電陣列等光學觀測手段的應用,為自然閃電中雙向先導提供了直接證據(jù)[10,11],同時揭示出包括閃電始發(fā)[12]、梯級及箭式梯級先導[13?15],反沖先導[16?18]及連接過程[19,20]中的雙向機制的存在.而最近寬帶干涉高頻LMA的改進及應用[21,22],可望在云內(nèi)閃電雙向先導,特別是正先導及反沖先導的研究上取得新的進展.值得一提的是,有關閃電雙向先導研究,特別是觀測研究方面,中國學者做出了許多出色的工作[6,15,18,23?31].

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

2 先導的極性不對稱性:連續(xù)及間歇

從根本上說,先導(無論正、負)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,流光通過不斷汲取前部強電場區(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(先導核),并將冷的、弱導電的、彌散且不穩(wěn)定的流光電暈轉(zhuǎn)化為比較熱的、高導電的、細且較穩(wěn)定的先導通道.另一方面,先導通道則通過其后不斷刷新的導電性,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,無論實驗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、負先導流光,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、負號分別表示正、負電荷區(qū),紅色為向上發(fā)展的正先導(主要通過反沖先導揭示),藍色為向下發(fā)展的負先導,反映出正負先導有明顯的行為差異,如分叉、間歇性等.正負先導的不對稱性根本上來自于流光過程中正負離子和電子遷移性的較大差異,而后者比前者約大兩個量級[49].正、負流光的傳播基本上表現(xiàn)為高遷移性的電子運動,對正先導而言,是電子收斂于流光頭部的強電場區(qū),是容易的方向(綠燈效應);而對負先導而言,是電子發(fā)散于遠離流光頭部的弱電場區(qū),是不易的方向(紅燈效應),從而導致正流光更容易始發(fā)和持續(xù)傳輸[40](圖2).一般認為,正先導往往發(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,而負先導發(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)性和負極性過程的間歇性.

自然閃電放電不同于實驗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.如負地閃中電荷一般并不是在高導電通道中一次性釋放,而是被一系列比較長時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,在多閃擊負地閃中,云內(nèi)的正先導過程又表現(xiàn)出某種持續(xù)性,當通道下端衰減電流減小并截止時,通道上端比較活躍(連續(xù))的正先導,則在上端間歇性地產(chǎn)生著箭式或箭式-梯級負先導的條件,并讓已衰減的放電通道得以一次次刷新,以激活業(yè)已衰減的舊負先導通道,啟動新一輪的放電.類似的情況在云閃過程也同樣發(fā)生,即正先導的活躍和負先導的較長時間停頓形成了明顯的對照[7,21,51].在云閃中,類似于箭式先導過程的是云中K過程,或者反沖先導(recoil leader),觀測發(fā)現(xiàn)K過程總是產(chǎn)生于正先導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)和下部負電荷區(qū)之間的放電)云閃過程COLMA[48]VHF的LMA圖,可以看出負先導過程的明顯的間歇性以及起始于正先導端的脈沖性反沖先導(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 (a)輻射源高度隨時間的變化;(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,藍色表示負先導)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 正先導的連續(xù)、間歇性

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

其實,即使穩(wěn)定(連續(xù))的正先導,如果增大時空分辨率,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.間歇性的存在是由于新產(chǎn)生流光需要時間對通道進行收縮及加熱.收縮和加熱的主要機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)密度擾動導致的一種正反饋過程:電流增加→焦耳熱增加→通道膨脹→壓強減小→折合電場減小→碰撞電離加強→導電性和電流進一步上升.隨著溫度的上升,通道中的電子產(chǎn)生機制由碰撞電離變?yōu)榫喓辖怆x,產(chǎn)生流光到先導的突然轉(zhuǎn)變[39,46,58,60],熱電離不穩(wěn)定性可能是先導通道進一步加熱及導電性增強的重要機制.雖然如此,在實驗室長間隙放電條件下,正先導在某種程度(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充.

近十幾年來,關于閃電正先導梯級性的討論增多,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)閃電中向上正先導的發(fā)光及電流脈沖[24]、自然閃電向下正先導中類似負先導的梯級光脈沖[62]及正先導過程中的電磁脈沖[25]、正先導擊穿高頻輻射脈沖[26]、高塔上自持正先導的梯級性[13]等.閃電正先導過程的脈沖、間歇性的觀測,似乎揭示出閃電過程可能不同于實驗室條件下(連續(xù)性為主)正先導傳輸模式的存在.從另一方面來講,脈沖、間歇性不一定就等同于梯級性,因為梯級性首先意味著先導通道的突然(比較大)伸長[63],如果只是正先導流光的重新始發(fā),則并不意味著此后的梯級性.目前,在正先導機制研究中,關于間歇性、梯級性相聯(lián)系的先導空間莖(stem)的引發(fā)及轉(zhuǎn)化機制的研究仍然缺乏,但有理由認為,類似于負先導的梯級性,具有梯級性正先導的空間先導核必然遠離先導頭部,這樣才可能有先導的突然伸長,且此先導的重新始發(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、低導電性和低電場、高導電性相間的珠鏈(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,并進一步轉(zhuǎn)化為具有負先導的雙向先導,這給長期懸而未決的關于閃電始發(fā)的正流光理論[67]以有力的觀測支持.Stock等[22]也報道了寬帶干涉定位觀測由云閃K變化(反沖先導)及地閃回擊過程的強電位波始發(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,最令人費解也最重要的應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、負地閃中的多回擊過程,而這些過程的始發(fā)基本上與正先導擊穿相聯(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)及由此形成的先導前部流光區(qū)域的不均勻性所導致的二次擊穿可能正是正先導某種間歇、梯級性的重要機制.當雙向先導的負先導通道部分衰退以至于停止時,相應的正先導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,隨時恢復(啟動)失穩(wěn)的正先導,而且不時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),呈現(xiàn)一種時間和空間上不規(guī)則的間歇.主要由于擊穿門限的差異,正先導所謂的間歇性(甚至梯級性)可能只是正先導傳輸中的某種暫時的失穩(wěn)和重新始發(fā),而正先導流光的連續(xù)性則是主要的,并決定著整個閃電放電過程.

4 負先導的梯級性、間歇性

與正先導的連續(xù)性形成鮮明對照的是負先導的梯級性、間歇性.早在20世紀30年代,Schonland等[68]就通過條紋相機發(fā)現(xiàn),負先導傳輸表現(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間(約幾十微秒)黯淡的暫停間歇(梯級間歇).然而,對負先導梯級性機制的研究進展,則基本上依賴于此后實驗室長空氣間隙放電實驗,比較重要的如Gorin等[69],Les Renardieres Group[70]及最近Kochkin等[71]關于負先導梯級始發(fā)的前驅(qū)機制的觀測,即明亮梯級過程并不是始發(fā)于暫止的先導頭部區(qū)域,而是在遠離先導頭部的脈沖電暈區(qū)(約一個梯級長度)處出現(xiàn)(多處)不均勻且孤立的斑點或空間莖.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,其中反向發(fā)展的正先導與原主先導頭部迅速接近,電場迅速增強,當完成最后一跳時,產(chǎn)生類似小回擊的較強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,向前則使先導伸長一個梯級長度,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]證實了閃電負先導梯級脈沖的雙向傳輸.關于閃電中類似于實驗室長間隙梯級先導空間先導機制的直接證據(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].這些觀測同時發(fā)現(xiàn)了流光區(qū)域中多個(串狀或并列)空間莖及先導的存在,揭示出梯級過程的彎曲及分叉機制[15,27,28].然而,由于問題的復雜性,負先導梯級性機制和空間莖的產(chǎn)生等一些關鍵問題仍遠未清楚.傳統(tǒng)的觀點認為,空間莖是源于電暈通道遠端正負離子弛豫過程產(chǎn)生的空間電荷效應[45],而最近關于實驗室負先導的光學高分辨觀測[71]則發(fā)現(xiàn),空間莖是產(chǎn)生于負流光區(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)呢撓葘Ф?這些珠狀結(jié)構(gòu)可能是其常態(tài),且珠狀結(jié)構(gòu)與原先導頭部之間的強場區(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).最近,Kostinskiy等[57]報道了梯級正先導過程中可能的空間珠狀結(jié)構(gòu),但目前對這種正先導中的珠狀結(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)(如強電位波或分叉等產(chǎn)生的屏蔽效應)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,也會在正流光區(qū)產(chǎn)生珠狀結(jié)構(gòu).但對于正先導而言,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(朝向正先導頭部)的連接負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入弱電場區(qū)(紅燈效應)而往往不能持續(xù),從而使反沖性的正先導梯級性過程更難產(chǎn)生.但這種弱的向前的正流光的存在遲早會啟動產(chǎn)生反向的連接負流光,從而產(chǎn)生正先導的梯級間歇性(重激發(fā)).

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

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

圖5 地面物體上正先導的縱向電勢分布(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:通道不穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)變

閃電先導過程最不同于實驗室長間隙放電的可能莫過于反沖先導了.早期的研究中,反沖先導一般被稱為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)中類似于小回擊的電場脈沖過程,并認為其產(chǎn)生是云中延伸的先導與新的極性相反的電荷堆的相遇,這當然是與無導體電極的雙向先導概念不相容的.長期以來,反沖先導被認為是負極性的,即從通道正先導端反向輸送負電荷至負先導端,而Williams和Heckman[47]則認為反沖先導其實也是雙向發(fā)展的,是又一個雙向先導中的小雙向(先導),這一點也被高速攝像等光學觀測所證實[17,79].大量觀測表明,反沖先導的始發(fā)總是位于負電勢阱區(qū)的正先導端,這也成為閃電研究中最為困難和令人困惑的問題.目前關于閃電先導的模擬中并未包括反沖先導過程,對反沖先導產(chǎn)生機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源于雙向先導傳輸中的某種不穩(wěn)定所引發(fā)的通道電流截止(cutof f).Heckman[79]認為,云中不斷伸展的正先導端可作為一種電流源,且當此電流超過一定門限時,通道才保持穩(wěn)定,而當此電流低于門限時,通道的負微分電阻特性引發(fā)的不穩(wěn)定,使(負先導)一端通道電流截止,而另一端(正先導端)產(chǎn)生電荷累積,并引發(fā)新的擊穿.Mazur和Runke[38,80]認為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[40,47]進一步強調(diào)了雙向先導中傳輸速度的極性不對稱:負先導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,先導速度可能更多地決定于云背景電勢,特別是先導頭部所在背景電勢阱的深度,而不是先導的極性;其次,如果先導的速度呈現(xiàn)極性不對稱,那么由于先導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],這樣所謂負先導的速度和電流較大可能就不是絕對的.Mazur和Ruhnke[80]及Mazur[38]則強調(diào)了雙向先導中另一種極性不對稱:分叉不對稱.認為先導通道的分叉及其屏蔽效應,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,由于負先導分叉小而頻繁,分叉間距短,而正先導分叉分支大而稀疏,分叉間距長,因此后者更有利于反沖先導的產(chǎn)生,但此假設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,反沖先導應該產(chǎn)生于與先導通道負微分電阻特性相關的通道不穩(wěn)定.但這種不穩(wěn)定應該不是一種先導通道的常態(tài),而可能意味著兩種狀態(tài)——導體態(tài)和半絕緣態(tài)的突然轉(zhuǎn)化[81],而且這種轉(zhuǎn)變可能與兩個不同的門限電勢差相聯(lián)系(圖6).當先導通道兩端的電勢差增大到一定程度(U2)時,以反沖先導的出現(xiàn)為標志,通道由半絕緣態(tài)突變到大電流的導體狀態(tài)(上部),此時通道可能表現(xiàn)出比較穩(wěn)定的非負微分電阻特性,而當先導通道兩端電壓降到一定低限(U1)時,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,通道要恢復到導電態(tài)可能需要增加到較大的電勢差(U2).Heckman[79]認為具有負微分電阻特性的先導通道是不穩(wěn)定的,但當電流增加到一定門限時,又變?yōu)榉€(wěn)定的.Mazur和Ruhnke[80]堅持先導通道在整個電流范圍的負微分電阻特性,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通道擴展到先導通道兩端的流光系統(tǒng)才可解決.

圖6 閃電先導通道的負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 地閃雙向先導的電勢演變模擬(通道發(fā)展階段依次用數(shù)字1—7標示,更多細節(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]).

與實驗室單極性放電相比,由于閃電先導內(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),當先導速度極性不對稱時(如負先導發(fā)展較快),通道電勢將向發(fā)展較快(負先導所在)的一側(cè)偏移,從而使通道電勢增大,使先導的傳輸趨向更加穩(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),應該是通道穩(wěn)定(導體)態(tài)存在的一種表現(xiàn).然而,當失衡到達一定程度時,則自我調(diào)節(jié)失效,需要有反沖先導的出現(xiàn),以達到新的平衡,此種情形可多次循環(huán),直至放電消失.至于反沖先導引發(fā)的具體機制以及為何始發(fā)于正先導端,目前雖沒有確定的結(jié)論,但有理由相信,無論哪一種機制,正負先導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

雙向先導及其傳輸機制,是閃電物理的核心問題.本文根據(jù)閃電研究的最新進展,對閃電雙向先導的理論、正、負先導及反沖先導的觀測特征及機制進行了比較和總結(jié),系統(tǒng)闡述了正負先導中連續(xù)性和間歇梯級性機制,強調(diào)了閃電雙向先導中正負先導傳輸門限電場的不對稱性,進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)、先導梯級性形成、反沖先導激發(fā)等過程中的獨特作用.根據(jù)先導通道的負微分電阻特性及相應的通道不穩(wěn)定性,提出了雙向先導通道可能的雙穩(wěn)態(tài)性.其中一些問題,特別是反沖先導產(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)值模式進行更加深入的探討.

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