闪电的结构-日历屋

闪电的结构

闪电的结构由多次放电脉冲组成，这些脉冲之间的间歇时间都很短，只有百分之几秒。脉冲一个接着一个，后面的脉冲就沿着第一个脉冲的通道行进。现在已经研究清楚，每一个放电脉冲都由一个“先导”和一个“回击”构成。第一个放电脉冲在爆发之前，有一个准备阶段——“阶梯先导”放电过程：在强电场的推动下，云中的自由电荷很快地向地面移动。

在运动过程中，电子与空气分子发生碰撞，致使空气轻度电离并发出微光。第一次放电脉冲的先导是逐级向下传播的，像一条发光的舌头。开头，这光舌只有十几米长，经过千分之几秒甚至更短的时间，光舌便消失；然后就在这同一条通道上，又出现一条较长的光舌（约30米长），转瞬之间它又消失；接着再出现更长的光舌……光舌采取“蚕食”方式步步向地面逼近。经过多次放电—消失的过程之后，光舌终于到达地面。因为这第一个放电脉冲的先导是一个阶梯一个阶梯地从云中向地面传播的，所以叫作“阶梯先导”。在光舌行进的通道上，空气已被强烈地电离，它的导电能力大为增加。空气连续电离的过程只发生在一条很狭窄的通道中，所以电流强度很大。

逃逸崩溃

“逃逸崩溃”理论认为，闪电的形成是受到了外太空某种物质的影响。事实上，每秒钟有数十亿个高能粒子从外太空飞来，并撞击到地球大气层中。大多数情况下，这些高能粒子不被人注意。但是，如果它们在雷暴区中与电子相撞，就会诱发闪电的形成。高能粒子会使得空气分子电离，引起自由电子雪崩式的增加，导致局部电荷密度急剧增大以及电场强度急剧增大。这一现场，科学家称之为“逃逸崩溃”，它在开始时需要的电场强度相对很弱(小于300万伏每米)。

但是目前还没有直接证据证明“逃逸崩溃”理论，而且寻找直接证据非常困难。首先，闪电非常地域化，即使在闪电之都(美国佛罗里达州)，平均每年每平方千米也只发生10次闪电。其次，闪电发生的时间与地点几乎不可预测，闪电发生的速度又非常快，因此很难确切测量。就空间而言，我们对闪电的探测范围可能只有几百米;就时间而言，我们可能仅有一毫秒的时间去测量它。

除了上述因素，测量雷暴电场也面临挑战——探测设备对电场有干扰。科学家把高空气球或飞机等探测设备送入云层时，就不可避免地从根本上改变了云层自身的环境。例如，探测气球被雷暴击中时，气球附近的电场强度会大大降低。事实上，这一问题已经困扰科学家几十年。

由于闪电产生时，会产生大量的无线电噪声，于是在20世纪90年代中期，美国物理学家威廉里森和同事意识到，可以使用全球定位系统(GPS)测量这种噪声，从而精确测量闪电的时间和地点。他们在美国新墨西哥州中部山区建立了16个观测站，构成了闪电测绘阵列，从而构建了雷暴云内闪电的三维图像。2016年，他们利用干涉仪来检测无线电波，同时配备了高速摄像头来捕捉闪电，从而提供了目前最精确的闪电测量数据。

快速正电荷击穿

当利用把实验数据和“逃逸崩溃”理论进行对比后，团队发现，结果并非完全如预期。他们发现，似乎并不需要外界那些高能粒子的帮忙，藏在云层深处的微小的放电就可以引发闪电。另外，触发闪电的顺序也不像预期的那样从云层的负电荷区域开始，而是恰恰相反。

他们认为，问题可能来自云层中的小冰晶。这些小冰晶可能一边带负电，另一边带正电。如果正电荷足够强，就可将附近空气中的电子拉过来(也就是空气电离)，并在小冰晶外制造出另一个正电荷区域，研究人员把这个奇怪的观察结果称为“快速正电荷击穿”。被离子化的空气的正电荷区域，再对更远端的空气或冰晶产生作用，形成新的正电荷区域。

也就是说，空气电离从小冰晶的正电荷表面开始，然后呈带状向前发展;带正电的电离区域同时会吸引周围空气中的电子“飞”过来，从而形成电流。因此，一旦小冰晶积累了足够的电荷，就有可能引发闪电。尽管大自然中的这些电流曾经被科学家探测过，但是它们并未成为“闪电诱发者”。里森团队认为，为了更好地理解闪电的微观物理图像，他们需要无线电波探测器等更精确的测量工具。

尽管这些问题尚待查清，但这并不意味着“逃逸崩溃”理论是错误的。在云层中测得的场强大小与“逃逸崩溃”理论所需非常吻合，以至于许多人怀疑这仅仅是个巧合。科学家认为，这些逃逸电子就像调节器：当电场变强时，逃逸电子会引起微小的放电，把电场强度重新拉低。

闪电研究专家认为，闪电的形成并非单一因素而可能是多种机制一起在发挥作用，包括前述的“逃逸崩溃”和“快速正电荷击穿”，甚至也许还有其他尚未发现的原因。

闪电的结构

闪电的组成结构