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閃電發展傳輸物理特徵和機制研究取得系列進展

2021/12/25

自然界中的閃電通常發生於強烈起電的雷暴雲內或雲與大地之間，起始於所謂的「先導」過程的發展和傳播。先導以擊穿空氣的形式為隨後強烈的閃電放電過程提供電離通道，其發展傳輸的物理過程和機制是閃電物理研究的關鍵問題。但由於閃電具有的瞬時性和隨機性，以及先導快速傳播過程的微弱光輻射和電磁輻射，對先導的探測存在較大難度，國際上提出的閃電物理研究十大難題中，就有四個與先導過程直接相關。

基於火箭-拖線技術的山東沾化人工引雷實驗自2005年夏季開始持續開展，最近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研究員郄秀書和副研究員蔣如斌等，在國家「973」項目和國家自然科學基金重點項目等支持下，通過自主研發高時空解析度閃電探測和動態定位設備，開展有針對性的科學觀測，獲取人工引發閃電和自然閃電放電電流、高速光學和電磁場等高解析度綜合同步資料，在國際上首次發現了沿已擊穿人工引雷放電通道中同時沿兩個相反方向發展的雙向先導過程，類似一種所謂的雙向「反衝先導」，但其極性與傳統的反衝先導相反，從而拓展了對這一先導類型的認識。通常，人工引雷所引發的閃電為負極性，除上世紀前輩科學家在內陸高原地區特殊雷暴電荷結構條件下引發的正極性閃電外，人工引發正閃在國際上比較罕見。近來，研究團隊在山東人工引發閃電實驗中，成功引發了兩例正極性閃電和三例雙極性閃電。基於寶貴的觀測資料，研究得到了相應的上行負極性先導過程的起始電流、脈衝波形、梯級電荷量等重要物理參量，並揭示了負極性先導初始階段的多分叉和梯級形成過程。

研究團隊通過精心設計觀測方案，還獲得了每秒高達15-18萬幅的閃電先導發展圖像，最近在《科學報告》（Scientific Reports）上發表的文章，清晰闡釋了閃電通道分叉和蜿蜒曲折的根源：負先導前方多個「空間先導」集簇出現，空間先導與先導主通道依次連接並持續發展，從而導致了閃電眾多分支通道的同時傳播並蜿蜒前行，研究定量給出了空間先導發展方向的概率密度分佈。另外，團隊還通過高塔閃電觀測，首次揭示了正先導在自持傳輸階段的梯級跳躍式發展傳輸特徵，並提出了與負先導梯級機制不同的「頭部電荷聚集—跳躍—停頓」的正先導梯級形成機制，更新了正先導連續傳輸的傳統認識。

上述系列研究成果近期發表在 Journal of Geophysical Research，Geophysical Research Letters，Scientific Reports 等期刊上。