一次對地轉移電荷極性兩次反轉的人工引發雷電特征及反轉機制分析*

唐國瑛 孫竹玲 蔣如斌 李豐全3)劉明遠3) 劉昆 郄秀書3)

1) (成都信息工程大學電子工程學院(大氣探測學院), 成都 610225)

2) (中國科學院大氣物理研究所, 中層大氣和全球環境探測重點實驗室, 北京 100029)

3) (中國科學院大學地球與行星科學學院, 北京 100049)

利用閃電甚高頻干涉儀動態成像結果, 并結合通道底部電流、電場和光學觀測資料對一次罕見的、對地轉移電荷極性反轉兩次的雙極性人工引發雷電放電特征進行了詳細研究, 首次觀測到直接導致極性反轉的云內擊穿放電過程, 探討了對地轉移電荷極性兩次反轉的物理機理. 結果發現, 此次閃電無回擊過程、初始連續電流階段對地轉移電荷極性經歷了負-正-負的兩次反轉, 轉移電荷量分別約–40.0 C, +13.3 C 和–1.0 C.負極性初始連續電流衰減過程中, 一支擊穿空氣的負先導起始于已電離的正先導分支通道上并形成懸浮通道, 水平發展28.816 ms 后, 接地主通道上發生負極性擊穿連接到了懸浮通道末端正電荷聚集處或雙向發展的懸浮通道的正極性端, 隨后對地轉移電荷極性快速反轉為正. 負先導熄滅后, 對地轉移電荷極性緩慢反轉為負.擊穿空氣的負先導連接到接地主通道和持續發展的正先導是此次雙極性閃電對地轉移電荷極性發生兩次反轉的重要原因. 而負先導的起始, 與正先導多分支同時發展引起的先導通道和環境電勢分布差異密切相關.

1 引 言

雷電是大自然中發生的一種強發光、長距離的瞬時放電現象. 地閃是一種云對地的雷電放電類型, 通常向地面傳輸單一極性的電荷. McEachron[1]于1939 年首次報道了在美國帝國大廈上觀測到的一種特殊的地閃放電類型, 其閃電電流的極性存在反轉特征, 表明這類特殊的地閃能夠先后向大地釋放兩種極性相反的電荷. 隨后, 在全球不同地區也觀測到了類似的雙極性閃電, 其主要發生于高塔、高建筑物等頂端始發的上行地閃及人工引發雷電中[2?8], 自然下行地閃中也有少量發現[9]. Rakov[10]指出相較于普通的正、負地閃, 雙極性地閃所占比例較低, 但隨著針對上行閃電的觀測時長及樣本數量的增多, 雙極性閃電發生的概率可能會進一步增加. Watanabe 等[11]統計了2000 年—2018 年在高塔頂端始發的823 次上行閃電電流波形, 其中137 次(17%)為雙極性.

雙極性閃電對地轉移電荷極性反轉可發生于閃電初始連續電流、回擊等不同的放電物理階段,還可能發生極性的多次反轉[8,10,11]. 其類型的多樣性意味著閃電放電行為及云內電荷結構的復雜性.因此, 對雙極性閃電放電過程的研究, 有助于揭示雷暴云內電荷結構對正、負先導放電的影響規律特征, 對雷電科學防護也有重要的實際價值.

早期對雙極性閃電的探測手段主要為傳統的電場、電流及云外放電通道的光學觀測, Chen 等[12]在國內記錄到一例自然下行雙極性閃電, 包含1 次正回擊和5 次負回擊, 正回擊的峰值電流為142 kA.Saba 等[13]在多例回擊為不同極性的下行雙極性地閃的光學資料中發現負回擊產生前, 在已熄滅的正先導分叉通道上存在倒回式發展的負極性反沖先導(recoil leader, RL), 推測正極性分支通道在正回擊發生前已與主通道截斷, 未參與之前的正回擊放電, 而反沖先導反向傳播連接到原有正回擊通道, 并繼續向地面傳播產生負回擊, 形成同一接地通道的雙極性閃電, Saraiva 等[14]驗證了上述推測并觀測到反沖先導在發展過程中可能分叉, 產生新的閃電通道并接地, 使得雙極性閃電的極性反轉是在不同通道中完成的. Tian 等[15]指出正回擊之后的反沖流光過程在維持云中先導網絡和回擊通道間的連接起著至關重要的作用, 促使了負梯級-箭式先導的形成并最終產生了負回擊.

盡管通過光學觀測對下行雙極性閃電的極性反轉機制有了一定的認識, 但對于上行雙極性閃電, 其影響極性反轉的放電通道主要發生在云內,難以被光學捕獲, 早期綜合觀測資料的缺乏使得學者們僅在放電參數特征上做了有限研究[16?18], 未獲得此類雙極性閃電的放電物理過程以及反轉機制的明確認知. Wang 和Takagi[19]基于電場和電流觀測提出放電通道極性反轉的設想, 在雷暴云內負電荷控制地面時, 上行正先導(upward positive leader, UPL)分支將負電荷輸送到通道分叉處, 造成已熄滅的正先導分支頭部電場方向反轉, 并進一步產生向正電荷區穩定發展的負先導(negative leader, NL), 從而將正電荷傳輸到地面引發極性的反轉. 近期, Shi 等[20]利用閃電甚高頻(very high frequency, VHF)輻射源定位對3 例極性單次反轉的高塔上行雙極性閃電進行了分析, 在Wang 和Takagi[19]設想模型的基礎上, 定位到起始于已熄滅正先導頭部的負先導, 進一步指出主通道的截斷使得持續發展的正先導在已熄滅正先導分支上積累負電荷, 導致通道頭部電場反向后產生負先導.而Yoshida 等[6]分析一次人工引發的雙極性閃電的VHF 干涉儀定位結果, 推測閃電極性反轉前擊穿空氣的負先導起始于附近孤立的負電荷區, 其作為橋梁連通了云內正電荷區和閃電接地通道的正先導分支, 導致了通道電流極性的反轉, 然而對該正先導分支未有直接觀測結果. 所以上行雙極性閃電云內通道的發展及極性反轉的形成機制至今并未探究透徹, 目前國內對上行雙極性閃電極性反轉機制的討論為空白, 而已有的國際研究中, 對導致極性反轉的先導與接地主通道的連接過程未做過多討論, 對在初始電流階段極性發生多次反轉的原因也尚無清晰認識. 因此仍迫切需要對這一罕見的閃電現象提供更多的觀測資料和個例分析, 以開展對上行雙極性閃電云內正、負極性先導放電物理過程及其對地轉移電荷極性反轉的作用機制研究.

本文將綜合利用高時間分辨率的閃電VHF 干涉儀動態成像結果[21]、通道底部電流、主觀測點快電場變化和高速光學同步資料對一次在初始連續電流階段對地轉移電荷極性發生兩次反轉的雙極性人工引發雷電放電過程進行詳細分析, 探究其極性反轉前后放電過程的通道特征, 進一步討論其電荷傳輸及極性反轉的物理機理.

2 實驗觀測及數據

在合適的雷暴天氣條件下, 人工引發雷電作為一種最接近自然雷電的模擬源, 利用拖帶金屬絲的火箭可以使雷電在某一預知的時間和地點發生, 為雷電放電參數的測量和雷電物理的研究提供條件[22]. 本文涉及的人工引發雷電來自2015 年夏季在山東省濱州市沾化區開展的山東人工引發雷電實驗[23?25](Shandong triggering lightning experiment,SHATLE). 實驗設有兩個觀測點, 一個為近距離觀測點即火箭發射場, 觀測儀器有通道底部電流測量裝置和磁場測量設備等, 另一個為主觀測點, 距離火箭發射場970 m, 布置有閃電VHF 動態成像干涉儀, 高速攝像, 快、慢電場變化測量儀等, 各資料利用GPS 提供的準確時鐘信息保持時間一致性.

本文使用的數據資料包括通道底部雷電流, 主觀測點快電場變化、高速光學及VHF 干涉儀動態成像結果等. 其中通道底部電流測量分別采用阻值為0.5 m W 及5 m W 的兩個同軸分流器進行直接測量, 二者的電流探測量程分別為± 40 kA 和± 2 kA,探測帶寬為DC～3.2 MHz, 采樣率為50 MS/s, 單次記錄長度為2 s, 考慮到環境噪聲和設備垂直分辨率, 最小可測量電流約 ± 9.3 A[26]. 主觀測點快電場變化的探測帶寬為1.5 kHz—2 MHz, 時間常數為0.1 ms, 采樣率為5 MS/s. 高速攝像光學資料時間分辨率為30.29 μs, 像素分辨率為512 × 384,用于對視野內的云外閃電通道進行分析. 閃電VHF 干涉儀的工作頻帶為140—300 MHz, 采樣率為1 GS/s, 垂直分辨率為8 bit, 單次記錄長度為1 s[27,28], 能獲得閃電VHF 放電輻射源二維(2D)定位和高時空分辨率的動態成像, 且不受云體遮擋的影響, 其閃電通道定位結果與光學資料對比具有較高一致性, 總體定位誤差隨仰角增大而減小, 平均定位誤差小于1°. 由于本文人工引發雷電距離閃電VHF 干涉儀較近, 輻射源主要集中在云內較高仰角位置, 所以閃電VHF 干涉儀定位結果能客觀刻畫閃電通道的發生發展. 另外, 本文使用主觀測點周圍15 km 范圍內布設的8 站磁天線時間差定位網絡, 提供的閃電強脈沖放電三維(3D)定位結果, 用于對部分強放電過程的簡要描述.

文中采用大氣電學定義, 雷暴云中負電荷被中和或負電荷向遠離測站的方向發展(即云內負電荷的減少)表現為電場變化的正向增大, 負電荷向地面傳輸對應的電流極性為負. 以閃電上行正先導起始時刻作為相對時間零點.

3 分析結果

研究的雙極性閃電發生于2015 年8 月14 日15:52:21(世界時). 圖1 為高速攝像視野內放電全過程光學通道疊加圖, 其中: 虛線下部較直部分為火箭鋼絲引導的人工引雷放電通道, 鋼絲通道頂端距地垂直高度約171 m; 上部為自然放電通道, 密集的細小通道是負先導的分叉通道進入光學視野內的通道疊加.

圖2 是閃電全過程的多個同步觀測數據隨時間變化結果. 圖2(a)為高速光學中針對自然通道(不包含鋼絲通道)部分計算的相對光強值, 反映了視野可見的放電通道亮度隨時間的變化. 每一幀的相對光強LR,i(i=1,2,3,··· ,k) 按如下方法計算:

其中,Li為第i幀光強值, 是接地主通道的自然通道部分所有像素點在該幀的亮度疊加;Lmin為閃電通道未發光時的背景光強值, 為避免識別誤差取上行正先導始發前幾幀的光強值的平均;Lmax為各幀光強值中的最大值. 圖2(b)為5 m W 同軸分流器測得的通道底部電流波形和幅值歸一化后的主觀測點快電場變化波形. 根據圖2(a)和圖2(b)多個同步資料, 結合此次雙極性閃電放電通道的特征,可以知道此次雙極性閃電包含約315 ms 的初始過程, 無回擊發生. 初始過程主要包括負極性初始連續電流階段1(t0—t2)、正極性初始連續電流階段(t2—t4)、負極性初始連續電流階段2(t4—結束).三個放電階段持續時間分別為152.755, 87.225 和75.02 ms, 轉 移 電 荷 量 分 別 約 為–40.0, +13.3 和–1.0 C. 其中在負極性連續電流階段2 中, 包含一次初始連續電流脈沖(initial continuous current pulse, ICCP)過程.

圖1 高速攝像視野內閃電全過程光學通道疊加(虛線分界線上方為部分自然通道, 下方為火箭鋼絲引導的放電通道, 高度約171 m)Fig. 1. Composited optical image shows the flash channel structure in the high-speed field (the upper part of the dotted line shows the partial natural channel, and the lower part shows the wire vaporization channel, with a height of about 171 m).

圖2 (c)和圖2(d)分別為輻射源仰角隨時間變化和方位角-仰角二維定位結果, 輻射源顏色隨時間由藍色到紅色變化. 由圖2(d)定位結果可得, 引雷火箭上升至距地面約171 m 的高度后, 從鋼絲頂端始發上行正先導, 到達S1 處后形成多個分支通道繼續發展, 此時段輻射源定位結果密集復雜,多為通道收斂且發展迅速的負極性反沖流光. 隨后t1 時刻在云內已電離的通道P 點處(方位角約187°, 仰角約73°)始發了一支擊穿空氣的負先導通道, 其開辟新的通道向仰角減小的方向發展, 持續發展約94.7 ms 后在仰角約2°的地方逐漸熄滅.在后期的云內放電過程中, 閃電通道主要表現為在已熄滅的正極性通道上的多次反沖放電過程.

圖2 閃電全過程的多個同步觀測數據隨時間變化結果 (a) 由高速光學針對自然通道(不含鋼絲通道)部分計算得到相對光強變 化; (b) 通道底部電流和幅值歸一化后的主觀測點快電場變化,圖中標注t i (i = 0, 1, 2, 3, 4)代表時間如下: t 0 = 0 ms, t 1 =123.9 ms, t 2 = 152.755 ms, t 3 = 218.6 ms, t 4 = 239.98 ms, RL1—3 為閃電后期的3 次反沖先導放電過程; (c) VHF 輻射源仰角變化, 輻射源顏色隨時間由藍色到紅色變化, 下同; (d) VHF 輻射源方位角-仰角二維定位結果, 藍色、綠色、紅色指示箭頭分別指示上行正先導、負極性先導和3 次反沖先導的發展方向, S1 為上行正先導發展至云內的分叉點, P 為負先導起始處, 下同Fig. 2. Results of multiple simultaneous observations of the overall lightning discharge process vary with time: (a) Relative luminosity for natural channel (without wire channel) from high-speed optical images; (b) channel-base current and normalized fast electric field change of the main observing station, ti (i = 0, 1, 2, 3, 4) is listed as follows: t 0 = 0 ms, t 1 = 123.9 ms, t 2 = 152.755 ms,t 3 = 218.6 ms and t 4 = 239.98 ms, RL1–3 shows three recoil leaders of late stage of the lightning; (c) elevation of VHF sources vary with time, color of radiation sources change from blue to red with time, the same blow; (d) azimuth-elevation of VHF 2D map, the blue, green and red arrows indicate the development direction of UPL, NL and RL1–3 channels, S1 shows the branching point of the UPL after developing to the cloud, P shows the initial point of NL, the same blow.

有趣的是, 在閃電前期100 ms 及后期約90 ms的階段的低仰角處(約6°)定位到分布在鋼絲通道較高位置處的輻射源, 放電高度隨時間未有明顯變化, 輻射源功率強度較小, 可能為鋼絲通道在強電場環境下的擊穿放電, 并在整個閃電放電過程中持續存在, 因VHF 干涉儀僅能定位同時發生的多個擊穿放電中的較強放電, 所以該鋼絲頂端的擊穿被閃電中期較強的云內放電所淹沒, 這里不做更多的討論.

下面具體分析從初始負極性連續電流階段1、ICCP 后至閃電結束、第1 次極性反轉、第2 次極性反轉和ICCP 過程這5 個放電過程.

3.1 負極性初始連續電流階段1

火箭發射后,t0時刻通道底部電流和快電場變化分別出現明顯的負、正極性脈沖序列, 對應光學圖像及輻射源定位結果中觀測到在鋼絲頂端始發并自持發展的上行正先導, 此時負電荷沿接地通道向地面傳輸. 正先導向上發展過程中, 無明顯分叉,根據輻射源定位結果估算上行正先導平均2D 傳輸速度約3.7 × 104m/s, 對應通道底部電流和快電場變化分別緩慢地負向、正向增大. 上行正先導始發約32.65 ms 后發展到距地面高度約1.39 km的S1 處, 如圖3(a), 通道出現明顯分叉, 并沿圖中箭頭所示的方向繼續發展. 其中一路上行分支通道發展到距地面高度約2.67 km 處后, 探測到一系列以S1 為中心發展的尺度較小、放電活躍的負極性反沖流光, 輻射源非常密集, 說明此時云內放電通道主要通過反沖流光的形式不斷構建細小的正極性分支通道向空間發展, 持續向地面傳輸負電荷,主通道與地面處于良好的導通狀態, 通道底部電流和快電場變化持續地負向、正向增大. 高速光學視野內接地主通道(圖3(b))與上行正先導VHF 輻射源定位結果有高的一致性.

圖3 上行正先導VHF 輻射源定位結果與高速光學視野對應 (a) 上行正先導的VHF 輻射源定位; (b) 高速光學全過程通道疊加Fig. 3. Azimuth-elevation of VHF 2D map of UPL compared with the composited high-speed optical image: (a) Azimuthelevation of VHF 2D map of UPL; (b) composited optical image shows the flash channel structure in the high-speed field.

t= 101 ms 時電流達到負向峰值, 0.5 m W 的同軸分流器測得峰值電流約–3.8 kA. 此后通道底部電流幅值開始逐漸減小, 云內放電依然以尺度較小的負極性反沖過程為主, 但活躍和密集程度均有所減緩. 當t1= 123.9 ms 時, 一支先導通道在云內已電離的正極性通道的P 點位置處始發, 向仰角減小的方向發展, 如圖4(b)和圖4(c), 輻射源密集, 輻射強烈且主要集中于放電通道頭部, 可分辨出較多分叉通道同時發展, 沒有明顯的反沖過程,平均2D 傳輸速度約1.59 × 105m/s. 在仰角較低處有較多分叉通道進入高速光學觀測視野范圍內(見圖1 上部區域), 對應快電場變化波形疊加持續的正極性脈沖序列, 如圖4(a), 表現為明顯的負先導擊穿空氣的梯級發展特征, 由此推斷, 這是一支擊穿空氣的負極性梯級先導. 結合主觀測站點周圍布設的多站磁天線獲得的此次閃電3D 定位結果發現, 這一時段負先導開辟新通道向遠離主通道的水平方向發展.

在負先導發展的過程中, 探測到多次間歇性的快速反沖先導沿著原有正極性電離通道反向發展,如圖4(c)中紅色箭頭所示, 并且可在圖4(a)中看到當t= 128.2 ms 時通道底部電流的幅值有增大的變化, 推測云內正極性通道仍在發展, 通過接地主通道向地面泄放負電荷.

3.2 ICCP 結束后至閃電結束

通常正先導發展時產生的VHF 輻射較弱, 難以定位出清晰通道[29], 實際探測中常根據正先導通道上的負極性反沖過程來追溯正先導的發展. 因此, 為了獲得與主通道相連的正先導通道形態, 以便更加清晰地闡述此次閃電的兩次極性反轉及ICCP 放電過程, 以下將提前說明ICCP 結束后至閃電結束階段內的3 次反沖過程.

ICCP 發生后至閃電結束的約54 ms 內, 此階段通道底部電流整體低于最小可探測電流, 未觀測到明顯的電流脈沖和相對光強變化, 但高速光學中閃電的自然通道仍保持微弱亮光, 快電場變化上出現了3 次明顯的負極性脈沖, 對應VHF 輻射源定位結果中3 次連續清晰的反沖過程, 見圖2(b)中標識出的RL1—3.

圖4 負先導始發前后的同步觀測數據隨時間變化 (a) 通道底部電流和快電場變化波形; (b) VHF 輻射源仰角變化; (c) 方位角-仰角二維定位結果, 灰色散點為t1 時刻前的閃電通道定位結果, 紅色箭頭為負先導發展過程中多次間歇性的反沖過程Fig. 4. Results of multiple simultaneous observations before and after the initiation of the NL vary with time: (a) Channel-base current and fast electric field changes; (b) elevation of VHF sources varies with time; (c) azimuth-elevation of VHF 2D map. Gray scatter points are locations of radiation sources before t1, and the red arrows are a series of recoil leaders during the development of the NL.

如圖5(a), RL1 始發于主通道右側, 沿著呈類蝴蝶結形狀的曲折通道發展至接地主通道S1 附近后中止, RL2 和RL3 均始發于主通道左側, 沿相同通道發展并連接到RL1 通道上, 沿RL1 通道繼續發展. 可見3 次反沖先導盡管起始位置不同, 但最終均沿相同的通道發展至S1 附近. 此時已處于閃電放電末期, 通道底部電流和相對光強值較小且沒有明顯的脈沖變化, 難以判斷3 次反沖先導過程對電流的影響以及接地通道較高位置處是否已經發生截斷, 但由于3 次反沖先導均沿著先前已電離的正極性通道反向發展, 通道延伸至S1 處附近, 因此判斷3 次反沖先導所在的正極性通道在S1 處連接到接地主通道上, 結合上行正先導起始階段的發展通道, 可以推演得到S1 附近處的閃電通道分叉情況如圖5(b)所示.

3.3 第1 次極性反轉

負先導向仰角減小的方向發展過程中, 快電場變化上疊加了越來越密集且清晰的正極性脈沖,通道底部電流的幅值緩慢減小, 負先導始發約28.815 ms 后, 如圖6(a), 在t= 152.716 ms 時快電場波形上出現了一個明顯的負極性脈沖, 脈沖寬度約1.5 μs, 隨后通道底部電流的幅值明顯減小、快電場變化和相對光強幅值快速增大. 約39 μs 后,即t2= 152.755 ms 時通道底部電流的極性由負變為正, 表明接地主通道對地轉移電荷極性由負變為正, 完成了第1 次的極性反轉.

圖5 ICCP 結束后至閃電結束前3 次反沖過程的VHF 輻射源定位結果 (a) 3 次反沖過程定位結果, 灰色散點為圖3 中上行正先導的定位結果; (b) S1 附近閃電的正極性分支通道及接地通道示意圖, 第1 次反沖(RL1)用藍色通道代表, 第2 和3 次反沖(RL2&RL3)均用紅色通道代表Fig. 5. Azimuth-elevation of VHF 2D map of three RLs occurrs between the end of ICCP and the end of the lightning: (a) Azimuthelevation of VHF 2D map of three RLs. Gray scatter points represent radiation sources location of UPL in Fig. 3; (b) schematic diagram of lightning positive branching channels and trunk channel near S1, the blue channel shows the first RL (RL1), the red channel shows the second and third RLs (RL2&RL3).

在通道底部電流極性反轉前約1 ms 時間內,定位到的放電過程主要為向低仰角方向發展的負先導, 以及原有正極性通道中零星的反沖過程. 第1次極性反轉完成時負先導已到達仰角較低位置處(約35°)并持續發展, 如圖6(b)和圖6(c). 電場負極性脈沖出現前約4.5 μs 內, 在S1 附近定位到多個向仰角增大方向發展的輻射源通道(見圖6(a)和圖6(b)中黑色虛線框內所示), 直到負極性電場脈沖的發生, 表明這些輻射源通道連接到了具有較好導電性的閃電通道上, 產生了類似云內的回擊電場脈沖. 根據負極性電場脈沖變化對應負電荷的增多或正電荷的減少, 且輻射源功率較強, 判斷這些輻射源是起始于S1 附近處的負極性擊穿放電, 向仰角增大的方向發展接連到負先導末端的正電荷聚集處, 連接過程如圖6(c)虛線箭頭所示, 引起正電荷的短暫減少而產生負極性電場脈沖, 隨后將負先導向通道后部輸送的正電荷沿主通道傳輸到地面, 從而引發了通道底部電流極性由負到正的反轉. 由于擊穿連接位置發生在云內通道上, 因此產生的電場脈沖變化提前于通道底部電流極性反轉.圖6(c)中的子圖給出的是負極性擊穿放電在時間t= 152.71—152.72 ms 的定位, 可以根據顏色變化更清晰地看出負極性擊穿放電的起始位置與發展方向.

負極性電場脈沖出現后快電場變化幅值有了更快的增大, 在t= 152.769 ms 時達到正向峰值.此階段定位到多個沿圖5 中RL1—3 通道末端連接到S1 附近處, 向空間發展的零星輻射源, 如圖6(c)中紅色箭頭所示, 輻射源功率強度較弱, 且無明顯的電場脈沖, 認為是負先導末端接入接地主通道后, 大量正電荷不僅通過接地主通道向地面傳輸, 也通過分叉涌入其他正極性先導通道, 正電荷的突然增多對應于地面電場的快速正向變化, 另外將使得分叉通道與環境電場增大從而產生側向的擊穿放電而被定位到. 由于正先導分支通道原有電流與新匯入的正電荷對應電流方向相同, 將產生電流的增強, 可能使正先導通道溫度增高、導電性增強而更為穩定發展, 表現為負反沖過程的明顯減少. 若正先導頭部在負電荷區的環境電場不足以維持正先導的發展, 正先導通道將逐漸熄滅. 隨著負先導的進一步發展, 其頭部前方正電荷區的電荷快速對地轉移, 地面電場快速負向變化, 通道底部電流繼續正向增大, 在第1 次極性反轉約1.75 ms后, 在t= 154.5 ms 時通道底部電流達到峰值,約+1.6 kA, 約為負極性最大峰值電流絕對值的57.9%, 隨后通道底部電流逐漸減小.

3.4 第2 次極性反轉

從定位結果可知, 在正極性初始連續電流階段, 負先導通道不斷延伸, 在第1 次極性反轉約65.85 ms 后, 于t3= 218.6 ms 時在仰角約2°的地方逐漸熄滅. 負先導從起始到熄滅共持續發展了約94.7 ms. 在負先導逐漸熄滅的過程中通道底部電流和快電場變化的幅值均逐漸減小. 由圖7(b)看出, 該階段正極性電流自較小幅值處緩慢衰減,波形平坦未有明顯的電流脈沖變化, 在負先導熄滅約21.38 ms 后, 在t4= 239.98 ms 時通道底部電流極性變為負極性, 發生了對地轉移電荷極性的第2 次反轉.

圖6 第1 次極性反轉前后的同步觀測數據隨時間變化結果 (a) 通道底部電流和快電場變化波形; (b) VHF 輻射源仰角隨時間變化; (c) 方位角-仰角二維定位結果, 灰色散點為負先導起始前的正極性通道與圖5 中3 次反沖過程的定位結果, 虛線框內為負極性脈沖前輻射源沿黑色實線箭頭方向發展, 紅色箭頭為負極性脈沖后輻射源發展方向, 黑色虛線箭頭為推斷通道, 子圖為虛線框內的輻射源在t = 152.71—152.72 ms 范圍內的放大圖Fig. 6. Results of multiple simultaneous observations before and after the first polarity reversal vary with time: (a) Channel-base current and fast electric field changes; (b) elevation of VHF sources vary with time; (c) azimuth-elevation of VHF 2D map, gray scatter points are radiation sources location before the initiation of NL and RL1–3 in Fig. 5, the black solid line and dashed line represent the actual detected channel and the inferred channel, the same blow, the radiation sources in the dotted box represent negative breakdown discharge, the red arrow is the breakdown discharge after the negative polarity pulse. The subgraph is an enlarged view of the radiation source in the dotted box at t = 152.71–152.72 ms.

在負先導熄滅前,t= 205 ms 時至t4階段內通道底部電流幅值低于最小探測電流. 結合相對光強值整體逐漸減小但不為零(如圖7(a)), 高速光學視野內主通道未發生截斷, 認為這一階段云內通道發展減弱或趨于停止, 通道底部仍有較小電流存在. 快電場變化整體為負值, 波形起伏不大,t3之后波形上出現兩次幅值較小的負極性脈沖, 對應圖5 中RL2&RL3 始發位置處兩次尺度較小的反沖放電過程, 說明此時正極性通道頭部的負電荷區域放電趨于活躍, 通道被重新激活, 此外云內已電離的正極性通道上也有一些零星放電.

基于以上觀測結果分析, 認為第2 次極性的反轉是由于負先導于t3時逐漸熄滅后, 向地面傳輸的正電荷逐漸減少, 而云內正先導分支通道重新活躍并持續向主通道傳輸負電荷, 因此通道底部電流整體幅值變化不大, 極性為平穩轉變. 在t4時刻接地主通道內凈電荷由正電荷逐漸變為負電荷時, 完成了本次雙極性閃電的第2 次極性反轉.

圖7 第2 次極性反轉前后的同步觀測數據隨時間變化結果 (a) 相對光強變化; (b) 通道底部電流和快電場變化波形, 0 kA 用黑色虛線標識Fig. 7. Results of multiple simultaneous observations before and after the second polarity reversal vary with time: (a) Relative luminosity of natural channel (without wire channel) from high-speed optical images; (b) channel-base current and fast electric changes, the black dotted line marks 0 kA.

3.5 ICCP 過程

在3.4 節中t= 257 ms 時, 快電場變化上出現1 次負極性脈沖(見圖7(b)), 對應在已電離的RL2&RL3 的通道末端探測到尺度較小的1 次反沖放電, 約0.3 ms 后初始連續電流波形上發生ICCP 過程, 持續時間約1.2 ms, 向地面傳輸電荷約–1.0 C.

圖8 為發生ICCP 前后的同步觀測數據隨時間變化結果. 從圖8(a)通道底部電流波形可看出,此階段內前期的初始連續電流波形較為平穩, 從t= 260 ms 開始, 初始連續電流快速負向增大, 并于t= 260.19 ms 和t= 260.38 ms 達到兩次極大值, 電流極值分別為–2 kA 和–2.25 kA, 隨后電流幅值緩慢下降至原有最小探測水平, 整個階段電流脈沖從10%到90%峰值的上升時間約160 μs, 脈沖半峰值寬度約280 μs, 均明顯大于Qie 等[25]給出的人工引雷回擊脈沖的對應參量的幾何平均值(分別為1.0 μs 和14.8 μs), 與ICCP 波形特征(分別為437 μs 和712 μs)相符合. 對應的快電場開始變化比電流開始變化提前約30 μs, 在兩次極值前表現為先正向增大后負向減小的變化趨勢.

由圖8(b)和圖8(c)定位結果可以看到ICCP發生前的輻射源同樣起始于RL2&RL3 的末端, 由于此位置之前已有多次放電使得通道被重新激活,因此認為影響產生ICCP 的反沖先導沿著與圖5中RL2&RL3 相同的通道發展至S1 附近, 并連接到主通道上, 連接過程如圖8(c)中的推測通道(虛線)所示. 負電荷沿通道首先向遠離測站的方向發展, 后向靠近測站的方向發展并最終自上而下地傳輸到地面, 引起了通道底部電流和快電場變化波形上的躍變.

4 討 論

根據以上對此次雙極性人工引發雷電極性反轉前后通道底部電流、主觀測點快電場變化及先導通道的發展分析發現, 第1 次極性反轉前, 快電場變化波形上的負極性脈沖, 對應于上行正先導云內分叉點S1 處附近的負極性擊穿放電, 其作為橋梁將負先導末端正電荷沉積區域與接地主通道相連,繼而使得持續發展的負先導能夠向地面轉移大量正電荷, 緊隨發生對地轉移電荷極性的第1 次反轉. 負先導逐漸熄滅后, 云內未熄滅的正極性放電通道繼續向接地主通道輸送負電荷, 引發了對地轉移電荷極性的第2 次反轉. 由于第2 次電流極性轉變緩慢, 且接地主通道持續發光未截斷, 所以認為在正極性初始連續電流期間, 正極性通道和負先導通道均連接到主通道上, 分別對地轉移不同極性的電荷. 綜上, 擊穿空氣的負先導通道與接地主通道的連接過程以及持續發展的正極性先導在此次人工引發雷電對地轉移電荷極性兩次反轉的過程中扮演了重要角色.

圖8 ICCP 前后的同步觀測數據隨時間變化結果 (a) 通道底部電流和快電場變化波形; (b) VHF 輻射源仰角變化; (c) 方位角-仰角二維定位結果, 灰色散點為圖5 的閃電通道定位結果, 虛線框內為影響產生ICCP 的反沖先導過程Fig. 8. Results of multiple simultaneous observations before and after the ICCP vary with time: (a) Channel-base current and fast electric field changes; (b) elevation of VHF sources varies with time; (c) azimuth-elevation of 2D map, gray scatter points is radiation sources location in Fig. 5, the radiation source points in the dotted box show the recoil leader that produces ICCP.

很多學者報道在原有正極性通道上產生負先導的現象, Saraiva 等[14]利用光學資料發現負反沖先導先是沿著已電離正極性通道的路徑發展, 后產生擊穿空氣的負極性先導, 但未說明負極性擊穿的起始位置. 在此次放電過程中也觀測到由負反沖先導引發的擊穿空氣的負極性先導, 負反沖先導起始于已電離正極性通道上, 沿該路徑反向發展一段距離后脫離原有路徑, 轉而擊穿空氣形成新的放電通道, 這與原有通道冷卻、導電性降低或空間負電荷區影響等因素有關, 但與持續時間約94.7 ms 的負先導不同, 這些擊穿空氣的負極性先導持續時間僅約幾個毫秒或更短, 并未影響對地轉移電荷極性的反轉.

Shi 等[20]定位到負先導始發于已熄滅正先導分支頭部. Pu 和Cummer[30]利用高精度的VHF干涉儀定位資料發現已截斷的正先導通道產生側向針狀的負極性擊穿放電. 本例中, 擊穿空氣的負先導起始于已電離的正極性通道上, 未識別出其是否起始于熄滅的正先導分叉通道頭部, 考慮到本次個例負極性反沖放電密集短促, 且2D 定位結果中存在一定的通道重疊, 可能存在難以分辨的極為細小正先導分支. 利用多站磁天線網絡定位到負先導遠離接地主通道水平發展, 簡單推測對應的參與放電的正、負電荷區域呈水平分布. 基于以上觀測事實, 本文將通過圖9 的示意圖, 具體討論雙極性閃電云內正、負極性通道發展特征及極性反轉的機制.

圖9 本次對地轉移電荷極性兩次反轉的機制示意圖(a) 上行正先導的分叉與截斷; (b) 負先導的產生; (c)對地轉移電荷極性第1 次反轉; (d)對地轉移電荷極性第2 次反轉(紅、藍色通道分別代表正、負先導通道, 黑色代表接地主通道; 實線表示通道正在發展, 虛線代表通道處于熄滅狀態)Fig. 9. Schematic diagram showing the mechanism of the two polarity reversals of charges transferred to the ground:(a) Branching and cutoff of upward positive leader; (b) generation of negative leader; (c) the first reversal of the polarity of charge transferred to the ground ; (d) the second reversal of the polarity of charge transferred to the ground (red and blue channels represent positive and negative leader channels, respectively, the black channel represents the trunk channel, solid lines indicate that the channel is developing,and dashed lines indicate that the channel is extinguished).

1)由人工引雷引發的上行正先導在雷暴云負電荷區呈多個分支同時發展并向地面傳輸負電荷,如圖9(a)中C1 和C2. 通道發展過程中, 由于兩個正先導頭部前方的電勢差異, 導致分叉通道發展不平衡, 或由于C1 通道自身電導率或先導核溫度下降等一系列穩定條件不滿足, 進而發生失穩導致C1 通道發生斷裂[31,32](如圖S 處), 并自斷裂處逐漸向C1 通道頭部熄滅成懸浮通道.

2)懸浮通道C1 正極性頭部向前繼續發展的過程中, 其向后傳輸的負電荷可在點P 位置處堆積, 如圖9(b), P 點可以為C1 通道上熄滅的細小的正先導分支通道頭部, 也可以為C1 通道自身的某處. 若堆積的負電荷積累到一定程度后或受到周圍放電影響, 使得通道P 點與環境之間的電勢差增大達到擊穿閾值, 將在P 點激發擊穿空氣的負先導向云內正電荷區發展. 活躍發展的正極性通道C2 持續向地面轉移負電荷, 此時通道底部電流依舊為負.

3)負先導的持續穩定發展, 將云內正電荷區的電荷向通道后方P 點處傳輸, 可能在原有通道截斷位置S 處沉積, 也有可能在P 點產生新的正先導沿原有熄滅通道向S 方向發展, 與負先導形成雙向先導通道. 因負先導的持續發展引起懸浮通道電勢整體抬升, S 點處的電場方向轉而指向主通道,當電場閾值達到負極性擊穿條件時, S 點發生自接地主通道向懸浮通道末端正電荷聚集區或者雙向先導正極性端的負極性擊穿放電, 使得截斷通道重新激活導通. 此時, 正極性通道C2 和負極性通道(NL)均連接到主通道上, 分別對地傳輸負電荷和正電荷. 由于持續強烈發展的負先導短時間內對地傳輸大量的正電荷, 所以主通道內的凈電荷快速轉變為正電荷, 對地轉移電荷極性發生了第1 次反轉, 正極性通道C2 也可能因同向電流的匯入而更易保持穩定發展, 如圖9(c)所示.

4)當負先導頭部電場強度不足以維持其繼續發展或通道本身的電導率逐漸減小時, 負先導逐漸停止發展, 同時向地面傳輸的正電荷逐漸減少. 而云內未熄滅的正極性通道持續對地傳輸負電荷, 當主通道內凈電荷逐漸變為負電荷后, 對地轉移電荷極性緩慢地發生了第2 次反轉, 如圖9(d)所示.

Shi 等[20]報道的上行雙極性閃電發生于日本冬季雷暴中, 電荷結構為正、負電荷區垂直分布的偶極子或者反偶極子, 擊穿空氣的負先導始發約4 ms 后便非常迅速地引起了通道底部電流極性的反轉, 但并未報道在極性反轉前是否存在電場上的脈沖變化, 也并未對負先導產生后原有接地主通道重新導通的放電過程和機制進行解釋. 在本文個例中, 定位到負先導遠離接地主通道水平發展, 對應的參與放電的正、負電荷區域呈水平分布. 此外,負先導持續發展了約28.816 ms 后, 才因接地主通道附近向負先導末端正電荷聚集區域或雙向先導正極性端的負極性擊穿放電, 引發負極性電場脈沖及隨后對地轉移電荷極性的快速反轉, 這一放電事件在國際上為首次報道. 負先導始發與極性反轉的長時間間隔, 一方面與截斷位置S 處通道冷卻電導率下降有關, 另一方面可能與懸浮通道電勢抬升較慢有關.

目前, 上行雙極性閃電在初始連續電流階段極性多次反轉的原因尚不明確, Wantanabe 等[11]猜想由于在云內某高度相鄰區域存在不同極性的口袋電荷區, 上行正先導入云后產生許多水平發展的分支, 相繼進入到不同極性的口袋電荷區, 從而導致電流極性的多次反轉, 但未有明確的觀測證據.從本文來看, 是水平分離的正、負兩個電荷區參與放電, 負先導進入正電荷區并與接地主通道相連引起了第1 次極性反轉, 負先導熄滅后, 云內未熄滅的正極性通道持續對地傳輸負電荷, 引起了第2 次的極性反轉.

另一個值得關注的問題是, 本次個例通道極性第1 次反轉前僅探測到自接地主通道始發的負極性放電, 而一般相較于負極性擊穿, 正極性擊穿的電場閾值更低更容易發生, 因此很有可能這一作為橋梁連接接地主通道和懸浮通道的擊穿放電起始于接地主通道和懸浮通道之間, 以正、負擊穿雙向先導發展的形式分別向接地主通道和懸浮通道發展, 只是其正極性擊穿一端未被干涉儀探測到, 而這一擊穿放電的產生條件、起始位置及極性的影響機制仍然需要更多的研究.

5 總 結

本研究基于閃電VHF 干涉儀動態成像定位結果, 結合通道底部電流、快電場變化、高速光學等多種同步觀測資料, 對一次在初始電流階段對地轉移電荷極性發生兩次反轉的雙極性人工引發雷電進行了詳細研究. 主要探討了極性反轉前后通道底部電流、快電場變化、相對光強的放電特征以及對應放電通道的時空演變, 著重對影響極性反轉的放電通道特征、上行雙極性閃電形成機制做了分析與討論, 得到以下結論:

1)此次雙極性過程包含約315 ms 的初始電流階段, 無回擊過程. 在初始電流階段極性發生了兩次變化, 對地傳輸電荷極性先負后正再負, 分別向地面傳輸電荷約–40.0 C, +13.3 C 和–1.0 C, 峰值電流約–8 kA, +1.6 kA 和–2.25 kA. 上行正先導的2D 傳輸速度約3.7 × 104m/s. 負先導擊穿空氣開辟新通道向水平方向發展, 2D 傳輸速度約1.59 × 105m/s.

2)擊穿空氣的負先導與接地主通道相連和正先導的持續發展是此次雙極性閃電對地轉移電荷極性發生兩次反轉的重要原因. 負先導擊穿空氣開辟新通道發展, 隨后原正極性分支通道截斷位置處發生的負極性擊穿與負先導通道末端的正電荷聚集處連接, 也有可能負先導起始后呈雙向先導發展, 那么負極性擊穿將與雙向先導的正極性端相連接, 將正電荷通過接地主通道向地面傳輸, 通道底部凈電荷為正時, 對地轉移電荷極性由負變為正.當負先導逐漸停止發展, 向地面傳輸的正電荷逐漸減少, 而云內未熄滅的正極性分支通道持續發展,對地傳輸負電荷, 當通道底部凈電荷為負時, 通道底部電流極性由正變為負.

3)已電離的正極性分支通道上產生的反沖先導過程, 連接到主通道上并向地面傳輸大量負電荷, 引發了初始連續電流脈沖.

4)探測到從已電離正極性通道上始發的擊穿空氣的負極性先導, 可能起始于該正先導通道的側向擊穿放電, 也可能起始于其上某細小的正先導分支通道頭部電場極性反轉后的負先導放電.

本文詳細研究了這例罕見的雙極性閃電的放電特征以及極性反轉前后通道的傳輸特征, 根據觀測事實合理地探討了對地轉移電荷極性兩次反轉的機制并提出了模型圖, 首次觀測到導致對地轉移電荷極性由負到正快速反轉的負極性擊穿放電以及通道截斷處重新導通的放電過程和機制, 并明確了負先導的熄滅和正先導的持續發展引發了極性由正到負的緩慢轉變等. 但由于云內放電過程較為復雜, 尤其是上行正先導發展入云后短時間內產生多個正極性通道同時發展, 云內放電通道十分密集, 且負先導通道與部分正極性通道在二維成像上有所重疊, 給分析帶來了一定的困難. 而磁場多站定位結果僅能提供部分強放電的三維位置, 時間分辨率較低. 因此, 未來將進一步利用閃電通道的三維定位結果, 更精準地分析閃電通道放電特征, 同時結合氣象雷達或探空數據綜合分析雷暴云動力活動, 更加合理地探討云內電荷分布對放電行為的影響.

感謝中國科學院大氣物理研究所袁善鋒和張鴻波特別研究助理對本文關于雙極性閃電極性反轉的物理機制以及論文撰寫的有益討論與建議, 感謝所有參加野外實驗的伙伴們.