閃電先導(dǎo)發(fā)展速度和發(fā)光特性的研究

袁 萍,李琴琴,王雪娟,岑建勇

(1.西北師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070；2.山西師范大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院,山西 臨汾 041004)

閃電梯級先導(dǎo)的發(fā)展與緊隨其后回?fù)暨^程的放電特征密切相關(guān)，梯級先導(dǎo)的傳播特征對閃電發(fā)生過程物理機(jī)制的研究具有重要意義.高速攝像技術(shù)能以較高的時空分辨率呈現(xiàn)閃電放電通道的發(fā)光信息和幾何形狀，所以較為廣泛的用來研究閃電先導(dǎo)的發(fā)展特征及傳播速度.基于高速攝像資料，Zhang等[15]分析了四個自然下行負(fù)地閃的傳播，并給出了有分支和無分支閃電放電通道梯級先導(dǎo)的平均傳播速度；Stolzenburg等[12]估算了初始流光的二維傳播速度；Campos等[2]計算了多種類型先導(dǎo)的二維速度，并給出了相應(yīng)的統(tǒng)計分布；Kong等[6]得到了下行正地閃的傳播速度.此外，先導(dǎo)速度隨時間的演化也是人們關(guān)注的問題，目前關(guān)于負(fù)地閃先導(dǎo)速度的報道較多[2,7,8]，但對其他類型的閃電先導(dǎo)傳播速度隨時間演化的研究較少.而關(guān)于通道分支對先導(dǎo)傳播過程影響的報道非常少.2015年Qiu等[11]使用雷電甚高頻定位系統(tǒng)TVLS，研究了負(fù)地閃在接近地面時，通道出現(xiàn)分支對傳播速度的影響.

閃電放電通道的發(fā)光強(qiáng)度與通道的放電特征等緊密相關(guān)[16-18].近年來，基于光學(xué)圖片資料，研究閃電先導(dǎo)發(fā)光特征的報道較多[9,12,15].但是，對通道發(fā)光信息進(jìn)行數(shù)字化分析的報道較少，而這一工作將會為進(jìn)一步定量研究閃電先導(dǎo)通道的傳播特性奠定基礎(chǔ).基于發(fā)光信息的數(shù)字化資料，Jordan等[5]分析了直竄先導(dǎo)的發(fā)光強(qiáng)度，得到直竄先導(dǎo)在接近地面時通道亮度保持穩(wěn)定狀態(tài).利用ALPS系統(tǒng)，Chen等[3]研究了兩個下行梯級先導(dǎo)通道的發(fā)光強(qiáng)度；Wang等[13]報道了下行正梯級先導(dǎo)和下行負(fù)梯級先導(dǎo)的通道光學(xué)特征相似.此外，Lu等[9]和Wang等[14]研究了有分支閃電通道的發(fā)光特性.文中基于高速攝像機(jī)得到的光學(xué)資料，分析了地閃和雙向閃電先導(dǎo)通道的相對發(fā)光強(qiáng)度和梯級先導(dǎo)二維傳播速度隨時間的演化.同時，也初步探究了通道分支對主通道發(fā)光強(qiáng)度和先導(dǎo)二維傳播速度的影響.

1 實驗觀測和結(jié)果分析

在青海高原進(jìn)行了閃電野外觀測實驗，觀測點海拔高度約2500 m，雷電發(fā)生時的環(huán)境溫度約為20 ℃.閃電傳播全過程的光學(xué)圖像由高速攝像機(jī)記錄得到，高速攝像機(jī)的時間與GPS系統(tǒng)的時間同步，高速攝像機(jī)是美國Phantom生產(chǎn)的M310.

依據(jù)觀測資料，分析了4個自然閃電的梯級先導(dǎo)和其中2個直竄先導(dǎo)的傳播特征.通過對沿閃電通道直徑所有像素點灰度值的積分，可以得到通道的相對發(fā)光強(qiáng)度.依據(jù)聲光差估算閃電通道到觀測點的距離，從而得到梯級先導(dǎo)的二維傳播速度.為了方便起見，把這4個閃電分別命名為閃電A,B,C,D.其中，閃電A,B,C是負(fù)極性云地閃電(CG)，閃電D是雙向閃電(BI).拍攝這4個閃電時，高速攝像機(jī)的拍攝速率和圖片分辨率列于表1.

表1 4個閃電的高速攝像參數(shù)

1.1 通道發(fā)光強(qiáng)度

1.1.1 地閃 圖1a-c給出了地閃A梯級先導(dǎo)發(fā)展過程中的主通道、完整梯級先導(dǎo)通道和標(biāo)記了樣點的通道;圖2a-c給出了地閃B的梯級先導(dǎo)傳輸階段的主通道、反轉(zhuǎn)灰度值的完整梯級先導(dǎo)通道和樣點標(biāo)記通道；圖3a-b給出了地閃C的完整梯級先導(dǎo)通道和標(biāo)記了樣點的通道圖.根據(jù)觀測距離估計的地閃A，B，C的可見通道長度分別約為1 560，1 370和370 m.

a 主通道;b 完整先導(dǎo)通道；c 樣點標(biāo)記通道；其中圖1a相鄰兩幀圖片間的時間間隔為206 μs；符號bi表示主通道的分支，下同

圖1 閃電A的通道

Fig 1 Images of channel A

a 主通道;b 完整先導(dǎo)通道;c 樣點標(biāo)記通道；其中圖2a相鄰兩幀圖片間的時間間隔為103 μs

圖2 閃電B的通道

Fig 2 Images of channel B

圖4(a)-(d)給出了地閃A,B,C梯級先導(dǎo)通道以及地閃B第二次回?fù)羟爸备Z先導(dǎo)通道在樣點位置相對發(fā)光強(qiáng)度隨時間的演化(時間坐標(biāo)和相應(yīng)閃電與圖1-3一致).從圖4(a)-(c)可以看出，地閃A,B,C的梯級先導(dǎo)通道從云端向地面發(fā)展的過程中，在先導(dǎo)頭部到達(dá)的每一位置，其發(fā)光強(qiáng)度都會出現(xiàn)一個亮度脈沖，即第一個亮度脈沖.

a 完整的先導(dǎo)通道;b 樣點標(biāo)記通道;其中圖3a相鄰兩幀圖片間的時間間隔為666 μs

圖3 閃電C的通道

Fig 3 Images of channel C

圖4 先導(dǎo)在樣點位置通道發(fā)光強(qiáng)度隨時間的變化

由圖4(a)可以看出，對地閃A的第一亮度脈沖，在樣點473,414,365,266和148 m位置的脈沖峰值大約是其他位置脈沖峰值的2倍.由圖1b可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)閃電A的梯級先導(dǎo)頭部傳播到樣點473 m位置附近時，主通道上出現(xiàn)了分支b1，當(dāng)先導(dǎo)傳播到樣點148 m位置附近時，主通道上出現(xiàn)了分支b2，分支的出現(xiàn)導(dǎo)致其附近的亮度增大，如在414,365和266 m處.當(dāng)?shù)亻WA的梯級先導(dǎo)頭部通過每一位置后，亮度脈沖會消失，且通道發(fā)光強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定，直到梯級先導(dǎo)接近地面時，通道的發(fā)光強(qiáng)度會略微增強(qiáng).如樣點986 m處，在約2 500～10 000 μs，其梯級先導(dǎo)通道的發(fā)光強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，而在約10 000 μs之后，通道發(fā)光強(qiáng)度有小幅度增強(qiáng).

從圖4(b)可以看出，地閃B的梯級先導(dǎo)通道也在先導(dǎo)頭部通過每一個樣點后，該樣點位置的亮度脈沖消失，且通道的亮度保持穩(wěn)定.但在約4 431 μs時，通道從1 158 m到775 m的位置，以及在約7 317 μs時，通道從628 m到301 m的位置，梯級先導(dǎo)通道再次出現(xiàn)了亮度脈沖.從圖2(b)可以看出，在4 431 μs時的整個先導(dǎo)通道和在7 317 μs時的先導(dǎo)通道頭部的亮度有明顯增強(qiáng).同時也可以看到，分支b2在約4 431 μs時出現(xiàn)在先導(dǎo)通道的775 m位置附近，而分支b3在約7 317 μs時出現(xiàn)在通道的220 m位置附近，所以先導(dǎo)通道亮度的增強(qiáng)應(yīng)該與這些分支的出現(xiàn)有關(guān).此外，當(dāng)梯級先導(dǎo)傳播至接近地面時(約在9 069 μs)，地閃B先導(dǎo)通道上的所有位置亮度增強(qiáng)，這與Lu等[9]和Zhang等[15]報道的結(jié)果一致.

由于地閃C的梯級先導(dǎo)通道在云端的發(fā)光強(qiáng)度較弱，所以圖4(c)中僅給出了在離地高約200 m范圍內(nèi)的通道亮度變化.可以看出，與地閃A，B類似，先導(dǎo)頭部在通過每一位置之后，該位置的發(fā)光強(qiáng)度也基本保持穩(wěn)定.而出現(xiàn)分支的位置附近，先導(dǎo)通道會再次出現(xiàn)亮度脈沖.例如，在圖4(c)中，約4000 μs時先導(dǎo)通道發(fā)展到樣點95 m位置附近，分支b的出現(xiàn)引起了95,69 m等位置的通道頭部亮度增強(qiáng).同樣，梯級先導(dǎo)通道在接近地面時，整個先導(dǎo)通道的亮度都會增強(qiáng)，且此時先導(dǎo)頭部的光強(qiáng)幅值強(qiáng)于尾部的光強(qiáng)幅值.

圖5以103 μs的時間間隔給出了閃電B第二次回?fù)羟爸备Z先導(dǎo)的傳播(時間標(biāo)記與圖4(d)一致).從圖4(d)可以看出，對地閃B第二次回?fù)羟暗闹备Z先導(dǎo)，其通道上所有位置的發(fā)光強(qiáng)度都是到達(dá)亮度峰值后單調(diào)減小.且在地閃B的直竄先導(dǎo)通道上，樣點971 m位置的分支b1和樣點220 m位置的分支b3仍然存在，但此時分支的存在對直竄先導(dǎo)主通道的發(fā)光強(qiáng)度基本沒有影響，這與梯級先導(dǎo)通道觀察到的亮度變化特征不相同.在直竄先導(dǎo)接近地面時，通道的發(fā)光強(qiáng)度呈減小趨勢，這與Zhang等[15]報道的結(jié)果類似.

圖5 閃電B第二次回?fù)羟暗闹备Z先導(dǎo)發(fā)展

1.1.2 雙向閃電 圖6a-b給出了一次雙向閃電D的樣點標(biāo)記圖和反轉(zhuǎn)灰度值的先導(dǎo)通道發(fā)展圖.其中，豎直路徑的樣點用離地高度表示，水平路徑的樣點用到水平初始點0 m(X0)的水平距離表示.從圖6可以看出，閃電D的梯級先導(dǎo)通道在相機(jī)視野中有兩個發(fā)展路徑：一個水平路徑(傳播方向從0 m到936 m)和一個豎直路徑(傳播方向從599 m到地面)，2個路徑對應(yīng)的可見通道長度分別約為1 210 m和830 m.但是，因為沒有記錄到閃電D對應(yīng)的電場數(shù)據(jù)，所以無法正確判斷兩個路徑的極性情況.因此我們不能確定本文的雙向閃電與其他研究者報道的多先導(dǎo)通道的閃電是否一致[4,10,19-22].

圖7a-b給出了閃電D豎直路徑和水平路徑的梯級先導(dǎo)通道在樣點位置的發(fā)光強(qiáng)度隨時間變化的波形圖，兩圖使用相同的計時起點，圖7c是閃電D第三次回?fù)羟柏Q直路徑直竄先導(dǎo)的通道發(fā)光強(qiáng)度隨時間的變化，圖7d給出了閃電D整個傳播過程的時間序列.從圖7a-c可以看到，對閃電D的兩個路徑，在先導(dǎo)頭部到達(dá)的每一個位置都會出現(xiàn)亮度脈沖.同時從圖6b可以看到，閃電D的豎直路徑在梯級先導(dǎo)傳播過程中，只能觀察到先導(dǎo)頭部的發(fā)光信息.

圖6 閃電D的樣點標(biāo)記圖和反轉(zhuǎn)灰度值的 梯級先導(dǎo)發(fā)展圖

a 豎直路徑梯級先導(dǎo);b 水平路徑梯級先導(dǎo);c 豎直路徑第三次回?fù)羟爸备Z先導(dǎo)的通道發(fā)光強(qiáng)度在樣點位置隨時間變化的波形圖；d 雙向閃電D發(fā)展的時間線;其中符號bi和bci代表主通道上的分支

圖7 雙向閃電D先導(dǎo)在樣點位置通道發(fā)光強(qiáng)度隨時間的變化

Fig 7 Light intensities of flash D versus time at the sample points

從圖7a中可以看出，閃電D豎直路徑上分支的出現(xiàn)會影響梯級先導(dǎo)通道頭部的發(fā)光強(qiáng)度，如先導(dǎo)頭部到達(dá)樣點402 m位置附近時出現(xiàn)分支b1，導(dǎo)致此處的亮度增強(qiáng)；在樣點297 m位置出現(xiàn)分支b2， 其附近樣點位置308,308′和297 m的亮度峰值高于其他位置的亮度峰值.由于閃電D梯級先導(dǎo)的豎直路徑在接近地面時，其通道的發(fā)光強(qiáng)度明顯減弱，所以沒有在圖7a中給出.圖7b中，對閃電D水平路徑的梯級先導(dǎo)，在約5 032 μs時從67 m到395 m的位置都出現(xiàn)了一個較強(qiáng)的亮度脈沖.從圖6看出，此時有一分支bc1出現(xiàn)在先導(dǎo)通道的443 m位置處，從而引起了整個水平路徑梯級先導(dǎo)通道發(fā)光強(qiáng)度的增強(qiáng)，同時，在約6 677 μs時分支bc2出現(xiàn)在樣點643 m位置處，引起了主通道先導(dǎo)頭部亮度的增強(qiáng).圖7c中，閃電D豎直路徑的直竄先導(dǎo)發(fā)光強(qiáng)度在接近地面時保持穩(wěn)定，這與Jordan等[5]報道的云地閃電直竄先導(dǎo)的通道亮度變化特征一致.

1.2 梯級先導(dǎo)的傳播速度和頭部亮度

1.2.1 地閃 表2列出了閃電A,B,C,D梯級先導(dǎo)的二維傳播速度.其中，地閃A,B,C梯級先導(dǎo)二維傳播速度分別是由其首次回?fù)羟凹s15 000,10 000,6 000 μs內(nèi)的光學(xué)發(fā)展圖片計算得到.文中得到的地閃梯級先導(dǎo)二維傳播速度范圍為0.1×105～3.5×105m·s-1，其平均速度為1.1×105m·s-1.Berger和Vogelsanger[1]分析了19個下行負(fù)梯級先導(dǎo)，得到其傳播速度的范圍是0.6×105～11.0×105m·s-1.Campos等[2]得到了正極性和負(fù)極性云地閃電先導(dǎo)的平均速度量級都為105m·s-1.Zhang等[15]報道了無分支閃電下行負(fù)梯級先導(dǎo)的平均速度約為2.2×106m·s-1，而有分支閃電梯級先導(dǎo)的傳播速度數(shù)量級都為105m·s-1.由于在本文分析的地閃放電通道都存在分支，所以表2列出的先導(dǎo)傳播速度在文獻(xiàn)所報道的結(jié)果范圍內(nèi).

表2 4個閃電梯級先導(dǎo)的2-D傳播速度

其中，Max為最大值，Min為最小值，AM為平均值.上標(biāo)CG和C分別代表雙向閃電豎直路徑和水平路徑的速度值.

符號bi代表主通道的分支，藍(lán)色的三角符號標(biāo)記速度的減小，豎直的紅色虛線表示亮度增強(qiáng)的時間前沿，而水平的藍(lán)色虛線標(biāo)記對應(yīng)時段的平均速度

圖8 地閃A，B，C的傳播速度和頭部亮度

Fig 8 The estimated 2-D propagation speeds and tip luminous intensities

圖8(a),(c),(e)分別給出了地閃A，B，C梯級先導(dǎo)二維速度隨時間的變化，并在圖中用水平虛線表示分段的平均速度(將研究速度所涉及的時間范圍平均分為三段).可以看出，隨著梯級先導(dǎo)傳播接近地面，地閃A和地閃C的梯級先導(dǎo)傳播速度隨時間呈現(xiàn)或多或少的增大趨勢.而地閃B的梯級先導(dǎo)傳播速度隨時間的變化沒有明顯的單調(diào)趨勢.上述關(guān)于地閃梯級先導(dǎo)傳輸速度變化的規(guī)律與其他文獻(xiàn)報道的結(jié)論一致[2,7,8].

圖8(b),(d),(f)分別給出了地閃A，B，C梯級先導(dǎo)頭部亮度隨時間的變化.可以看出，地閃梯級先導(dǎo)通道頭部亮度在接近地面的時候，都呈現(xiàn)或多或少的增強(qiáng)趨勢.同時，我們在圖8中，用豎直的紅色虛線表示分支出現(xiàn)時亮度增強(qiáng)的時間前沿，用三角符號表示對應(yīng)速度的減小，可以注意到閃電通道上分支的出現(xiàn)，引起了主通道頭部亮度的增強(qiáng)和傳播速度的減小，Qie等[11]也報道了在先導(dǎo)傳播到閃電分支點位置附近時，先導(dǎo)傳播速度會減小.

1.2.2 雙向閃電 將雙向閃電D水平路徑的初始位置0 m(X0)出現(xiàn)的時刻定義為梯級先導(dǎo)發(fā)展的0時刻(和2.1.2節(jié)的時間標(biāo)記一致).分析0～10 547 μs時間段內(nèi)水平路徑的先導(dǎo)傳播圖像，得到水平路徑梯級先導(dǎo)的傳播速度特征值，同時分析5 515 μs～10 547 μs時間段內(nèi)豎直路徑傳播過程的圖像，得到了豎直路徑梯級先導(dǎo)傳播速度的特征值，結(jié)果都在表2中給出.從表2可以看出，閃電D水平路徑和豎直路徑的傳播速度大小非常相近，其平均值都在105m·s-1數(shù)量級.

三角符號標(biāo)記速度減小，豎直的虛線標(biāo)記亮度增強(qiáng)的前沿，水平虛線標(biāo)記傳播速度的平均值

圖9 雙向閃電D在豎直路徑和水平路徑的 二維傳播速度及尖端亮度

Fig 9 The estimated 2-D propagation speed and tip luminous intensity versus time for the stepped leader of the vertical path and the horizontal path for the bidirectional leader flash D

圖9(a)-(b)分別給出了閃電D豎直路徑梯級先導(dǎo)的二維傳播速度和頭部亮度隨時間的變化.可以明顯看出，豎直路徑梯級先導(dǎo)的二維傳播速度和頭部亮度隨時間的變化趨勢基本一致，都在接近地面的時候呈減小趨勢.圖9(c)-(d)分別給出了閃電D水平路徑梯級先導(dǎo)的二維傳播速度和尖端亮度隨時間的變化.可以看出，對閃電D的水平路徑，二維傳播速度和尖端亮度隨時間都沒有明顯的單調(diào)變化趨勢.此外，雙向閃電D的先導(dǎo)通道在分支出現(xiàn)時，梯級先導(dǎo)通道的頭部亮度增強(qiáng)，而梯級先導(dǎo)的傳播速度減小.

2 結(jié)論

基于高速攝像機(jī)記錄的閃電光學(xué)資料，分析了地閃以及雙向閃電先導(dǎo)傳播過程的通道發(fā)光強(qiáng)度和二維傳播速度隨時間的變化.同時，初步探究了閃電通道分支的出現(xiàn)對主通道發(fā)光強(qiáng)度和先導(dǎo)傳播速度的影響.

對地閃和雙向閃電的梯級先導(dǎo)通道，在先導(dǎo)頭部到達(dá)的位置出現(xiàn)一個亮度脈沖；而在先導(dǎo)頭部通過后，亮度脈沖消失，發(fā)光強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定.當(dāng)梯級先導(dǎo)接近地面時，地閃通道頭部的亮度和整個通道亮度都呈增強(qiáng)趨勢；對雙向閃電的豎直路徑，隨著先導(dǎo)接近地面，通道頭部亮度和整個通道亮度呈減小趨勢，而雙向閃電的水平路徑，通道頭部的亮度和整個通道亮度隨時間的變化都沒有明確的單調(diào)趨勢.此外，直竄先導(dǎo)在接近地面時，整個通道的發(fā)光強(qiáng)度保持穩(wěn)定或減小趨勢.

地閃梯級先導(dǎo)的二維傳播速度隨時間呈現(xiàn)增加或無規(guī)律的變化趨勢，雙向閃電豎直路徑梯級先導(dǎo)的二維傳播速度隨時間呈現(xiàn)減小趨勢，而雙向閃電水平路徑梯級先導(dǎo)的傳播速度隨時間沒有明確的單調(diào)變化趨勢.

另外，通道分支的出現(xiàn)會引起閃電梯級先導(dǎo)通道亮度或先導(dǎo)頭部亮度的增強(qiáng)，而且，大多數(shù)情況下梯級先導(dǎo)的傳播速度會減小.通道周圍的電場分布與先導(dǎo)通道的發(fā)展方向和傳輸速度密切相關(guān).從理論上初步推斷，先導(dǎo)通道在分支附近亮度增大，說明閃電放電通道粒子的激發(fā)輻射增強(qiáng).而徑向電場的局部增強(qiáng)有利于分支的出現(xiàn)，且通道內(nèi)的電荷密度與徑向電場正相關(guān)，意味著分支附近通道內(nèi)電荷密度增大，從而碰撞輻射增強(qiáng).另一方面，局部的電荷聚積會使電荷沿通道軸向的傳輸相對削弱，從而導(dǎo)致先導(dǎo)傳播速度減小.受到高速相機(jī)時間分辨率和所分析閃電個例數(shù)量的限制，目前還不能準(zhǔn)確的確定在亮度減小和速度增強(qiáng)之間的時間間隔，而對這一初步結(jié)論的進(jìn)一步研究和優(yōu)化還需要大量的數(shù)據(jù)分析.

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