闪电熔岩是什么？怎样形成的？

如前两章中所述，利用人工引雷技术既可触发上行正负先导也可触发下行正负先导。与室内长间隙放电的先导相比，这些先导的梯级较长，它们的发展状况比较容易观测。所以通过对这些先导进行电流、电磁场及高速光学同步观测，不仅可以更进一步搞清楚先导的传输条件和特征，而且可以为解决像先导为什么要以梯级形式传输、梯级到底是怎么回事这样一些基本问题提供依据。wang等（1999c）最近用一个时间分辨率为100 ns的数字式高速摄像机观测到一人工触发下行直窜一梯级先导。其结果见图7-1。很明显，先导从上（s8（219 m））往下（s1（14 m））发展，在先导头部处产生的脉冲光信号从下往上传输。这些脉冲信号的上升时间一般为0.5 μs左右，脉冲之间的时间间隔为5 μs左右。它们对应于先导中的梯级，其平均传输速度为8×107 m/s。rakov等人（1998b）用距闪电触发点30 m及110 m处的电场推测直窜?梯级先导的每一个梯级发生时产生几千安培的电流，并涉及几毫库仑的电荷。rubinstein等人（1995）用距闪电触发点30 m及500 m处的同步电场算了直窜先导的线电荷密度在0.02×10-3 c/m到0.08×10-3 c/m之间。最近crawford等人（1999）同时测到距闪电触发点10 m，20 m，30 m，50 m，110 m及500 m处的电场变化（见图7-2）。这些电场变化的峰值与距离基本上是线性反比例关系。利用这些多点同步电场变化波形，再配合wang等人（1999a）同时测到的先导速度，可以求出随着先导的发展，先导通道中的电荷分布的演变过程。另外rakov等人（1998b）利用人工引雷电流及同时测到的离闪电触发点30 m，50 m及110 m处的电场发现先导产生的电场变化与其后回击电流的峰值之间有很好的线性相关性（见图7-3）。30 m及50 m处的电场与电流之间的线性相关系数可达0.98。人工引雷在研究闪电连接过程中的应用
在以避雷针为中心的雷电防护技术中，有关闪电回击连接过程的理论最基础也最重要，可是目前对这一过程的认识还不够。orville和idone（1982）在对自然闪电的观测中虽然得到一二例有关回击连接过程和高速摄像照片，但受时间分辨率的限制，这些照片还不足以揭示回击接地时的发展过程。人工引雷技术为研究闪电的连接过程提供了一个极方便的手段。idone（1990）分析了9例有关人工引雷继后回击连接过程的高速摄像照片，他的结果表明：上行连接先导的上限在12到27 m之间。平均值为19 m。同样受时间分辨率的限制，这些高速摄像照片并没有揭示回击连接时的发展过程。lalande等人（1998）通过观测到的电场及电流，对高度引雷首次回击（小回击）的连接过程作了一些推测。他们估计上行连接先导的长度为20 m。可是他们同时得到的高速摄像却分辨不出下行先导与上行先导之间的连接过程。wang等人（1999a）最近用一时间分辨率为100 ns的数字式高速摄像系统观测到几例人工引雷继后回击的连接过程。根据分析，他们得到如图7-4所示的连接过程发展示意图，可以看到，当下行直窜先导传输到离地面20 m左右高度时，从接地端产生一上行连接先导；当下行先导与上行先导连接到一起时发生回击，回击从连接点处分别沿着上下两个方向同时传输。在这次连接过程中，上行先导的速度可达2×107 m/s，基本上与下行直窜先导的速度差不多，但上行先导的发光强度远远小于下行先导的发光强度。这可能是由于先导极性的差别所造成的。人工引雷在研究闪电m分量传输特性中的应用
所谓m分量指的是在闪电连续电流过程中出现的伴随闪电发光一时变强的浪涌电流现象。虽然这个现象早在20世纪30年代就被发现，而且近几十年来一直有这方面的研究，可目前对这一现象的认识仍然含混不清。一些高速摄像结果表明：m分量有时往下传输，有地往上传输，而有时不能确定它的传输方向（chonland等，1935；jordan等；1995）。通过人工引雷可以对这一现象进行更系统的观测，因而近年来得到了一些新的认识。thottappillil等人（1995）统计了人工引雷m分量的电流，他们的结果表明：一个典型的m分量，其电流幅值一般为100~200 a，持续时间为2 ms左右（10~90）%上升时间一般为300~500 μs，中和电荷量为0.2 c左右。这里给出的数值只是平均值，因无论是电流还是上升时间其变化范围都很大。比如电流幅度小于几安培，最大可达几千安培；上升时间小至几微秒，最大可达几毫秒。rakov等人（1995）根据所测到的人工引雷m分量的电流及至近距离处的电场，提出m分量“双波”理论。他们认为一个m分量实际上是由一个向下传输的波（类似于先导）和一个向上传输的反射波（类似于回击）组成。向下传输的波在地面处被反射。对于电流，反射系数接近+1；而对于电荷密度，反射系数为-1。在每一个高度处这两个波之间存在一个相位差，高度越高相位差也越大。他们认为在云的下面通过光学方法不可能分离出这两个波，但从闪电至近距离处的电场和磁场可以证实这两个波的存在。他们特别指出，m分量的磁场波形与电流波形相似，而电场波形则与电流时间微分波形相似。rakov等人用m分量“双波”理论可以解释为什么m分量在光学上有时看上去向上传输，而有时看上去向下传输。同时根据“双波”说他们预测到：①m分量的磁场强度与距闪电通道之间的距离成线性反比关系；②随着距离变远，m分量的电场强度虽然也减小，但减小的程度远远不像先导?回击电场强度减小的那么明显。这些预测已在最近的人工引雷实验中得到证实（crawford等，1999）。图7-5是其中一例，证实他们预测结果的电流及电场波形。其中（a）是电流，（b），（c），（d）分别是在不同距离处的电场变化。图中rs代表回击，m3a，m3b，m4和m4a分别代表4个m分量。可以看到随着距离增大。先导?回击电场强度的减少程度远远大于m分量电场强度的减少程度。最近wang等人（1999b）利用数值式高速摄像系统观测到一些人工引雷m分量的光信号。他们利用傅里叶变换求出闪电通道不同高度之间各个频率信号之间的相位差，从而得到不同频率信号的相位速度。他们的结果表明：在闪电通道底部的不同高度之处，有时相速度为正，有时相速度为负。这些结果进一步说明：把m分量当成一个传统的传输波是不合适的。有关m分量的光学观测，idone（1995）最近发现在m过程中其通道的弯曲可能发生明显的变化。这导致m分量的通道有时会伸长，有时会缩短。在将来的有关光学观测中应该考虑到这一因素。人工引雷在研究闪电接地特性方面的应用
闪**到地面后其电流将人会通过土壤沿着地中各方流到很远的地方。人工引雷也为研究闪电接地后的各种特性提供了有利的条件。最近rakov等（1998b）通过分析多年各个不同地区的人工引雷实验结果发现：尽管不同地区由于土壤电导率的不同，接地电阻的差异可达五六个数量级，但回击电流峰值的平均值的变化范围只有9.5到15 ka之间，且接地电阻与电流的平均值不成任何比例。这说明闪电本身可以把接地电阻降到很低的值。一般测到的接地电阻仅仅是闪电发生时的初始接地电阻，闪电发生后，它在土壤中产生击穿的证据，而地表弧光放电是闪电在地表面产生击穿的证据。在美国的很多人工引雷实验后，都可在土壤中找到闪电熔岩，其长度可达几米。根据对这些闪电熔岩的分析表明：闪电在土壤中的击穿路径倾向于电阻较低的地方，比如向含水成分较多的地方发展。闪电熔岩不仅与土壤成分有关，也与很多其他因素有关。地表弧光放电也是人工引雷常观测到的现象，图7-6是rakov等人统计得到的有关地表弧光放电发生几率的结果。可以看到闪电电流越大，地表弧光放电的几率也就越大。若闪电电流大到20 ka左右，地表弧光放电的几率可大到百分之百。地表弧光放电的方向很随机，即使是同一闪电中的不同回击，它们产生的地表弧光放电的方向也可不同。地表弧光放电一般有几米长，最长可达几十米。根据测量到的一例地表弧光放电结果，地表弧光的电流可达1 ka，相当于产生它的回击电流的5%。闪电接地后在地表上可以测到跨步电压。f**her等人（1994）分别在离闪电触发点10m及20m处测得很多跨步电压的波形，他们发现：跨步电压与闪电电流成线性正相关关系，且两者的波形非常相似。由此可见闪电电流在离闪电触发点10m以外处其他布基本上很均匀。同时他们也发现，跨步电压与距离成线性反比例关系。根据一般有关跨步电压的理论，跨步电压应该与距离的平方成反比例关系。这一差异现象还需要进一步的实验检验。人工引雷在检验回击**中的应用
简单地讲，闪电回击**指的是通过一定近似所建立起来的回击电流与由它产生的电磁场之间的关系式。利用闪电回击**及在某处测量到的电磁场就可反演闪电电流。虽然闪电回击**很多（rakov等，1998a），但目前真正用于实验的只有传输线回击**。在传输线回击**中，闪电通道被看成一没有损耗的传输线，回击脉冲电流以一定速度μ（回击速度）向上传输。再将大地作良导体的近似后，回击电流i与其辐射场ez之间的关系为
（7-1）
这里c是光速，d是距离。对式（7-1）求时间微分，可得出回击电流变化率与辐射场变化率之间的关系：
（7-2）
目前式（7-1）和式（7-2）已被广泛用于闪电定位系统，可是因为式（7-1）和式（7-2）是在很近似的情况下建立起来的，在实际应用中，根据它们求出的电流到底能在多大程度上反映实际情况，必须接受实验的检验。通过人工引雷，可以同时测量出回击电流、电磁场及回击速度等，这为检验闪电回击**提供了最佳的实验手段。目前，在这方面已有不少结果（willett等，1988，1989；leteinturier等，1990；1991）。willett等人的结果表明：在最初几微秒由传输线回击**基本上与实测结果一致，但几微秒之后电流与辐射场波形的差异变得较大；同时，他们也指出由该**算出的回击速度与实测值之间的相关性不好。leteint**ier等人的结果表明：电流变化率与辐射场变化率不仅有很相似的波形，而且它们的峰值之间有很好的线性相关性。可是他们用传输线**算出的回击速度明显大于通过高速摄像实测到的速度。综合以上结果可以看到，回击**与实测结果有相符的地方，也有很多不相符的地方。willitt等人及leteinturier等人分别就回击**与实测结果不相符的原因进行了探讨。在他们的实验中，高速摄像装置的时间分辨率至多只有1 μs，因而他们测到的速度只能是几百米长的通道上的平均速度。而为了检验回击**，不仅需要测出回击初始时的速度，而且还要考虑回击的连接过程，这可能是他们的实验结果与回击**不相符的主要原因。最近wang等人（1999c）利用时间分辨率达100 ns的高速摄像装置测到回击初始速度与高度之间的关系，其结果见图7-7。从该图可以看到回击的初始速度不是有人所说的光速，（baum，1990），而且在一二百米高度范围内，回击速度的变化不是非常显著。另外，wang等人（1999a）在研究闪电回击连接过程时发现，回击脉冲在最初几十米范围内衰减很严重。这些最新研究结果对进一步检验回击**的研究应该有很高的价值。人工引雷在研究回击光信号与电信号相关方面的应用
在前一节谈到的回击**中，回击速度与电流是两个独立的参量，为了通过电磁场反演电流，必须知道回击速度。可是在现实中，不可能测出每一个闪电的速度。若能通过电信号求出回击速度，这在实际应用中是非常有价值的。另一方面，在前一章中谈到的回击电流都是在地面测到的，而为了探求更严密的回击**还必须知道回击电流沿通道的高度分布。这只有通过光信号的高度分布来反演。可见在实际应用中，有时需要通过电信号反演光信号，有时又需通过光信号反演电信号，这就要求知道回击的光信号与电信号之间的相互关系。人工引雷为研究这一关系提供了有利的条件。idone等（1984）通过人工引雷实验发现继后回击的速度与其电流峰值有很好的非线性相关性。他们的结果基本上证实了lundnolm（1957）提出的回击速度与电流峰值之间的关系式：
（7-3）
式中：vrs是回击速度；c是光速；ip是回击峰值电流（ka）；w是一常数。idone等人利用最小二乘法对他们的实验数据进行拟合得到w=40。idone等人在他们的实验中同时发现，直窜先导的速度与继后回击的电流峰值之间有很好的相关性，线性相关系数可达0.84。然而，直窜先导的速度与回击间歇之间的相关性很差，线性相关系数只有0.43；继后回击的速度与直窜先导的速度也有很好的非线性相关性，但与回击间隔之间线性相关系数只有0.57。另外，idone等人（1985）利用人工引雷也探讨了回击光强度峰值与电流峰值之间的关系。他们观测到的两个触发闪电中，一个闪电含有19个回击，一个闪电含有20个回击，它们的电流峰值在1.6到21 ka之间。他们发现对于每一个闪电，其回击光强度峰值与电流峰值之间存在非常好的线性相关性，线性相关... 20210311