[科普中国]-闪电通道

闪电通道（lightning channel）闪电通道的半径、速度、能量和温度

闪电过程中的主要物理和化学过程都是在闪电通道内进行的，闪电的物理现象都与闪电通道有关系。描述闪电通道特性的参数有：通道的半径、速度、温度、电流、电荷等。Borovsky(1995)假定：(1)闪电通道是直的；(2)闪电通道是柱体；(3)闪电通道是均匀的的电磁场。同时还假定闪电产生的电磁波是：(1)电磁波的传播是一调谐函数 ；(2)通道内没有预先的光子加热；(3)通道内由波的加热忽略，提出了估算通道的半径、速度、温度、电流、电荷的理论。1

闪电放电通道的三维结构特征通过对闪电VHF辐射源高时空分辨率的三维观测资料的分析发现, 无论云闪还是地闪其时间和空间分布特征可表明雷暴中的基本电荷结构.云内闪电放电不仅发生在上部正电荷区与中部主负电荷区之间, 也同样会在中部主负电荷区与下部正电荷区之间发生, 除极性相反之外, 其它特征是一致的.云闪过程在最初的10～20 ms内垂直向上(正常极性)或向下(反极性)发展, 之后转为水平方向的传输.在正电荷区辐射点较多, 闪电通道清晰; 在负电荷区辐射点较少, 且从闪电的起始位置以一种倒退的方式水平延伸闪电通道.云闪中的K型击穿不仅发生在闪电的后期, 而且还发生在活跃期, 并不时发展到正电荷区而触发新的闪电分叉.负地闪首次回击之前的梯级先导过程辐射较强, 继后回击前的直窜先导的辐射较弱.回击之间闪电在云内水平发展, 通道以细小的分叉为主要特征, 其间不时有没有到地的企图先导过程发生.正地闪的先导过程基本没有可探测到的辐射点, 在回击之前有一段云内过程, 回击之后有更长的云内过程发展, 其闪电通道不像负地闪那样精细, 在回击之后的最初阶段辐射点较少, 而在通道的顶端辐射点反而较多.正负地闪的发生发展特征有很大的不同, 表明正、负极性的电荷击穿及传输过程的机制存在明显差异.2

云中放电云中放电(英语：in-cloud lightning）

在0℃层以上，即空气温度下降到冰点的高度以上，云内的液态水变成冰晶和过冷却水滴（达0℃却来不及凝结就落下的水滴）。由于空气的密度不同，造成了空气对流，在这些水滴或冰晶摩擦碰撞的过程中产生电荷。如云内出现两个足够强的相反电位，带正电的区域就会向带负电的区域放电，结果就产生了云内闪电（in-cloud lightning）或云间闪电（cloud-to-cloud lightning）。风暴细胞内八成的放电过程属于这种类型。

云地之间放电云地之间放电(英语：cloud-to-ground lightning）

这是最广为研究的类型，主要是因为它们对人们的生命财产有极大的威胁性。

在一次正常的闪电前，云里的电荷分布是这样的：在底部是较少的正电荷，在中下是较多的负电荷，在上部是较多的正电荷。闪电由底部和中下部的放电开始。电子从上往下移动，这一放电由上向下呈阶梯状进行，每级阶梯的长度约为50米。两级阶梯间约有50微秒的时间间隔。每下一级，就把云里的负电荷往下移动一级，这称为阶梯先导（英语：stepped leader），平均速率为1.5×10米/秒，约为光速的两千分之一，半径约在1到10米，将传递约五库仑的电量至地面。当阶梯先导很接近地面时，就像接通了一根导线，强大的电流以极快的速度由地面沿着阶梯先导流至云层，这一个过程称为回击，约需70微秒的时间，约为光速的三分之一至十分之一。典型的回击电流强度约为一至两万安培。如果云层带有足够的电量，又会开始第二次的阶梯先导。

雷电击又分为负雷电击（英语：negative stroke）及正雷电击（英语：positive stroke），也就是由云层往地面传下来的是正电荷。正雷电击的发生机率比负雷电击小，但携带的电量会比负雷电击大，曾测量到的最大值为300库仑。正雷电击通常只有一击，有第二击的正雷电击相当少见（因为云层内靠近地面的正电荷较少）。

云间放电云间放电是一种很少发生的闪电，它在二个或更多完全分离的积雨云中放电。

闪电通道的形成是自上而下还是自下而上？答案是两者都有。“云地闪”，从其定义上说，是始发于云中的闪电。但是从一些图片上看到的闪电分支结构表明，闪电也经常始发于地面。

但是，为了恰当的回答“闪电是向上还是向下发展”，必须搞明白这个问题。要明白这个问题，我们必须要了解闪电所涉及的过程。

负极性的云地闪大致可以分为三个阶段：梯级先导、凹击和箭式先导。

梯级先导是沿着电阻最小的路径从云中向地面发展的一小团负电荷。在梯级先导电倚传输路径上：空气被电离，形成电离通道。梯级先导是以梯级的形式逐级向下发展的，每步大概有几十米的距离，持续时间为几微秒，每一步之后的间歇约为50微秒．然后接着开始下一步。梯级先导的电倚团有时会分解。分解后沿着不同的路径传输，因而形成了闪电的分支形状。

当梯级先导接近地面时，地表上的电子在先导负电荷的排斥作用下退避而形成一个正电荷区域。地面的高耸物表面将会产生电晕放电(空气中的电介质击穿现象，也称作圣爱尔摩火)，并向正在接近的下行先导连接．于是在云地之间便建立起了连续的电离通道．从而引发一次强有力的回击。回击沿着梯级先导的电离通道像波一样快速冲向云中，与其途中的电子中和。

回击结束之后，一次闪电可能就结束了。如果此时云中还积聚有足够多的电荷，那么，也会从云内伸出一个“箭式先导”直插地面。而且，此箭式先导还可能会触发第二次回击。一次闪电可能会包含数次回击，平均为3～4次，每次回击的间隔时间为40～80毫秒。

回击过程一直是闪电过程研究的热点。其原因，一方面是出于实际考虑．人们认为属于闪电造成的破坏主要是由凹击电流造成的；另一方面，事实上，在构成闪电的众多过程中，只有回击过程是最容易测量的。的确，回击是云外最为耀眼的闪电过程．并产生最容易识别的电磁信号。

有些情况下，比如说冬季雷暴中，雷雨云中闪电始发的高度非常低，这样一来，地面上高耸的自然物体(山)或人造物体(高塔或摩天大楼)会对原本向地面移动的梯级先导电荷产生干扰作用。这实际上是高耸物体触发了闪电，使得带有梯级先导、分叉和分支结构的闪电看上去是向上发展的，因此被称为“真正的地云闪电”。这种特殊的闪电现象在日常牛活中并不常见．但是有一些照片记录了它的存在。

由地面上的静止目标物(如高塔)产生、并向其正上方荷电云体发展的先导触发的雷电，可称为“上行闪电”。上行闪电与常见的下行闪电相反。如果没有地面目标物的存在，它就不会发生了，因此．可认为该类闪电是地面目标物触发的。高度在100～500 m的目标物，上行闪电和下行闪电都有可能经历，且经历的上行闪电比例随目标物高度增加而增大。当地物高度小于100 m时，通常认为其只会被下行闪电击中；当建筑物高度大于500 m时，通常认为其只能被上行闪电击中。换句活说，对于不到100 m高的建筑物来说，通常可忽略上行闪电；对于高于500 m的建筑物来说，可忽略下行闪电。Davis和Standring(1947)在英围观测了飞行高度为600 m的气球的线缆上的电流，发现所有闪电都为上行闪电。如果建筑物位于山顶上．那么考虑到山体的存在所产生的附加电场畸变，该建筑物的有效高度将大于其实际的物理高度。3

闪电的纪录及发生地点在地球上闪电频率的一个比较古老估计是每秒钟100次。 现今人类可以用人造卫星查出闪电的频率，包括观察在没有人烟居住的地方，可知的发生闪电纪录是平均一秒钟44 ± 5次，全年几乎总共发生闪电次数为10.4亿次的闪电。这些闪电中有百分之七十五是云间放电(云对云闪电)，百分之二十五为云地之间放电(云对地闪电)。

其他星球上的闪电：因为闪电需要击穿气体，所以闪电不可能在真空的空间内出现。但在其他行星的大气层内有侦测到过闪电，如金星及木星。人们估计木星上的闪电比地球上的闪电强100倍左右，但是发生频率只有地球上闪电的十五分之一。至于金星闪电的具体情况现在还在争论中。在70年代到80年代中前苏联的金星号（英语：Venera）和美国的先驱者计划（英语：Pioneer program）中，资料显示在金星的上层大气中发现了闪电，但是卡西尼—惠更斯号（英语：Cassini-Huygens）经过金星的时候却没有发现任何闪电的发生。

闪电成因云中电荷分离的现象至目前为止还是研究中的课题，有很多假说被提出来试图解释此一现象发生的原因。

静电感应假说根据静电感应假说，至今仍未充分了解电荷的分离过程，不过似乎总要有很强的上升气流将小水滴抬升，使它们产生过冷至摄氏-10度到-20度。这些过冷的小水珠会和冰晶相碰撞产生柔软的冰水混合物—软雹（英语：graupel），这些碰撞会使冰晶带有正电、软雹带有负电。此时上升气流会继续将较轻的冰晶(带正电)抬升，软雹则因较重而落至云的中下层，进而造成云层上半部带正电，下半部带负电的电荷分离现象。 此电荷分离过程使云间的电位差不断增加，直到足以释放而形成闪电。

极化假说极化机制分为两个部份：

掉落中的冰晶和小水珠通过地球的环境电场（英语：Earth's natural electric field）会产生电极化的现象。

碰撞中的冰粒会因静电感应而带电。