近日，一則中科院大氣物理所在山東做的人工引雷試驗(yàn)視頻在各路社交媒體網(wǎng)站廣為流傳。視頻中，一枚尾部拖帶有金屬導(dǎo)線的迷你小火箭發(fā)射升空，飛行到約數(shù)百米的高度時，突然一道閃電劃破長空，直擊地面，發(fā)出耀眼光芒，場面頗為震撼。
事實(shí)上，這是一種叫作火箭-導(dǎo)線人工引雷（Rocket-and-wire triggered-lightning）的技術(shù)。
相較于自然雷電，該技術(shù)對雷電的發(fā)生時間和地點(diǎn)具有一定的可控性，為雷電機(jī)理研究、雷電探測以及雷電防護(hù)技術(shù)的研發(fā)與測試等提供了重要的手段。最早由Newman等人于1967年在美國利用此技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)人工引雷。
我國也于20世紀(jì)70年代開始研究人工引雷技術(shù)，并于1977年首次利用土火箭人工引雷成功，1989年利用專用引雷火箭引雷成功。
地閃電流方向
今天我們就來聊聊雷電。
說起雷電，大致可分為云閃和地閃。顧名思義，云閃是云內(nèi)、云與云之間的放電現(xiàn)象，而地閃則是云與地面間的放電現(xiàn)象，俗稱落地雷。后者雖然僅占雷電總數(shù)的三分之一，卻是雷電危害的罪魁禍?zhǔn)?，地閃擊死擊傷人畜的報道時有發(fā)生。
學(xué)過中學(xué)物理的同學(xué)們應(yīng)該知道，電流是有方向的，那同學(xué)們有沒有想過，地閃的電流是從云到地面還是從地面到云呢？
要回答這個問題，還得從雷暴云內(nèi)的電荷結(jié)構(gòu)說起。
云朵之所以帶電，是因?yàn)樵苾?nèi)有各種不同尺度及不同相態(tài)的水成物粒子（霰、雹、雪花、雨滴、冰晶等）在強(qiáng)烈的上升氣流作用下相互作用，比如離子捕獲、粒子間的碰撞分離等過程，導(dǎo)致了不同尺度、不同表面溫度的粒子攜帶上不同極性的電荷，在氣流和重力作用下發(fā)生分離，形成正負(fù)不同極性的電荷區(qū)。
20世紀(jì)初，現(xiàn)代雷暴電學(xué)領(lǐng)域兩位奠基人威爾遜（Wilson）和辛普森（Simpson），分別利用不同的探測手段，開始了對雷暴云電荷分布結(jié)構(gòu)的研究。
最終他們發(fā)現(xiàn)典型的單體雷暴云由垂直分層的三個電荷區(qū)域構(gòu)成，稱為三極性電荷分布結(jié)構(gòu)：下部是電荷量約+4庫侖的小的正電荷區(qū)（1庫侖代表1安培的穩(wěn)恒電流1秒內(nèi)通過導(dǎo)線橫截面的電量），位于溫度高于0℃的區(qū)域；中間是電荷量約-20庫侖的主負(fù)電荷區(qū)域，位于0℃和-10℃的區(qū)域；上面是一個主正電荷區(qū)，電荷量約+24庫侖，對應(yīng)溫度低于-10℃的區(qū)域。
雖然現(xiàn)代研究表明，實(shí)際云內(nèi)電荷分布要復(fù)雜的多，但三極性電荷結(jié)構(gòu)仍是最常用的電荷分布結(jié)構(gòu)模型。
而地閃中的90%以上，就來自于主負(fù)電荷區(qū)對大地的放電。
根據(jù)我們學(xué)過的物理知識，正電荷的流動方向規(guī)定為電流的流動方向，負(fù)電荷的流動方向則與電流流向相反，同學(xué)們?nèi)菀着袛喑鰜?，這種類型的地閃電流方向應(yīng)該是由大地流向云朵，我們稱之為負(fù)地閃。
那另外10%以下的呢？
猜的沒錯，還有一種正地閃，它是由主正電荷區(qū)向大地放電，從而此類型的地閃電流方向是由云朵流向大地。
雖然大部分的強(qiáng)風(fēng)暴地閃通常以負(fù)地閃為主，但那些以正地閃為主的風(fēng)暴常常是產(chǎn)生災(zāi)害性天氣現(xiàn)象的根源。
研究表明，以正地閃為主的風(fēng)暴有更大的概率會發(fā)生龍卷風(fēng)和冰雹，特別是正地閃為主的階段持續(xù)幾十分鐘以上時，概率會更大。相反，那些以負(fù)地閃為主的風(fēng)暴產(chǎn)生冰雹和龍卷風(fēng)等的概率要小的多。這與極端天氣下雷暴云內(nèi)的電荷分布結(jié)構(gòu)發(fā)生變化有關(guān)，但具體原因仍有待進(jìn)一步研究。
地閃視覺方向
媒體報道中常用“從天而降”這個詞來形容閃電，似乎并沒有什么違和的感覺。不過，閃電這么快，你確定它一定是“從天而降”的嗎？
事實(shí)上，閃電并不是多數(shù)人以為的那樣，一道電光從天霹到地一蹴而就，而是有十分精細(xì)的過程和結(jié)構(gòu)在里面。
我們知道空氣是電的不良導(dǎo)體，要想在云和地之間建立導(dǎo)電通道可不是那么容易。以最常見的下行負(fù)地閃電為例，當(dāng)正負(fù)電荷區(qū)之間的電場達(dá)到一定強(qiáng)度時，空氣被擊穿，閃電過程便由此開始。
下行負(fù)地閃過程動畫
首先，一小團(tuán)負(fù)電荷作為“先遣部隊”在電場的指引下，沿著電阻最小路徑從云中向地面進(jìn)發(fā)，肩負(fù)著打通云地閃電通道的使命。在其經(jīng)過的路徑上，空氣被電離，形成電離通道，導(dǎo)電能力也大大增強(qiáng)。
這只“先遣部隊”也會疲倦，每走幾微秒大概幾十米的距離便會停下約50微秒進(jìn)行能量補(bǔ)給，之后繼續(xù)前進(jìn)探路。這一過程由上向下呈階梯狀進(jìn)行，我們稱這只“先遣部隊”為梯級先導(dǎo)（Stepped leader）。有時“先遣部隊”也會兵分多路，這就形成了閃電的分支形狀。
負(fù)地閃的梯級先導(dǎo)
當(dāng)“先遣部隊”（梯級先導(dǎo)）快接近地面時，會有“接應(yīng)部隊”從地面出發(fā)向上幾十至上百米來迎接，它們是梯級先導(dǎo)頭部的強(qiáng)電場從地面自然尖端物體上誘發(fā)的電暈放電，稱為連接先導(dǎo)（Connecting leader）。
連接先導(dǎo)
當(dāng)“先遣部隊”與“接應(yīng)部隊”勝利會師之時，云地之間的閃電通道徹底被打通，地面向著這條剛剛被打通的通道猛烈的釋放大量的電荷，產(chǎn)生的電流形成白熾耀眼的光柱，這個過程叫做回?fù)簦≧eturn stroke）。
回?fù)?/p>
一次先導(dǎo)和回?fù)舻倪^程構(gòu)成閃電的一次脈沖放電。
一般閃電是由多次脈沖放電構(gòu)成。在第一次脈沖放電之后，經(jīng)過短暫休息（約40毫秒），又會發(fā)生第二次脈沖放電過程。第二個脈沖也是從先導(dǎo)開始，到回?fù)艚Y(jié)束。但由于經(jīng)第一個脈沖放電后，閃電通道已經(jīng)建立通暢，所以第二個脈沖的先導(dǎo)就不再逐級向下探路，而是從云中直接到達(dá)地面。這種先導(dǎo)叫做箭式先導(dǎo)（Dart leader）。
下行負(fù)地閃過程時間軸
之所以叫下行負(fù)地閃，是因?yàn)樗上蛳乱苿拥呢?fù)極性先導(dǎo)激發(fā)，向地面輸送負(fù)電荷。
所以聰明的同學(xué)可以舉一反三了，一定還有下行正地閃，上行負(fù)地閃，上行正地閃。沒錯，確實(shí)是這樣的。
對于在高山頂上或高聳的建筑物上，有時會發(fā)生上行雷電。上行雷電的發(fā)生概率隨著建筑物的高度增加而增加。一般認(rèn)為低于100米的建筑主要遭受下行雷襲擊，高于500米的建筑主要受上行雷電襲擊。
所以“從天而降”的說法嚴(yán)格說來只能用于下行雷電。對于上行雷電，更準(zhǔn)確的詞應(yīng)該是“騰空而起”。
上行正地閃的先導(dǎo)
以上就是今天要分享的有關(guān)雷電的知識。
其實(shí)人類對于雷電的研究仍然任重道遠(yuǎn)，還有許許多多的未解之謎等待探索，期待未來能有同學(xué)在此方面有所建樹，幫助人類更好破解雷電的秘密，轉(zhuǎn)化成造福于人類的資源。
參考資料：
[1]郄秀書張其林袁鐵.雷電物理學(xué)(地學(xué)卷)(精)[M].科學(xué)出版社,2013.
[2]Cooray V.The Lightning Flash.IET Digital Library,2014.
[3]https://commons.wikimedia.org/wiki/Lightning
[4]http://www.kepu.net.cn/gb/earth/weather/thunder/index.html
[5]https://baike.baidu.com/item/閃電通道
作者 | 馮偉
封圖 | baiduzhidao
來源：新東方智慧學(xué)堂
編輯：蕉
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