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在触发闪电的后续回击中连续电流的上限长度
VINCENT P. IDONE
纽约州立大学奥尔巴尼分校大气科学系
在四次触发闪电中，检查了9次后续回击的高时间分辨条纹记录，以证明上行闪电的发生。这些照相记录以优异的空间和时间分辨率（0.3 m和0.5 mu;s）获得，并通过视频图像分析系统进行检查以帮助划定独立先导和回击通道的图像轨道。不幸的是，无法证明这些回击中连续电流事件的发生。数据确实允许对每个回击的所有可能的连续电流的上限长度进行各种判定。在尽可能简单的分析方法下，测量了一个“绝对”的上限长度集合，其范围为12至27米，平均值为19米；另外两个涉及更多的分析可以证明更好的8-18米和7-26米的上限估计值，其值分别为12和13米。另一组低时间分辨率长焦记录到闪电通道的最下面的几米范围内显示出了六个回击，其中一个或多个向上不连续的通道来自避雷针尖端。在这些观察到的每一个回击中所看到的不连续的通道的最大长度范围为0.2至1.6米，平均值为0.7米。后一组观察结果被解释为间接证据，表明在这些回击中确实有连续的放电发生，并且其长度的下限约为1米。
1介绍
一个典型的通往地面的闪电通道由从云到地面的梯级先导形成。据认为，当一个或多个向上传播的“连续电流”被启动[Golde，1977]，其中一个会在距离通道终端几十米至数百米的交界点遇到下行先导。发生连续电流的证据主要来自静态照片（通常在近距离进行），其中通道最后的结点或自下而上过渡的分枝大致定义了连接点的位置。（Uman [1987，chap.6]回顾了大多数这样的观察结果。另见Krider和Wetmore [1987]以及Faidley和Krider [1989]最近的工作）。
一些闪电的时间分辨照片为发生连续电流提供了更好的证据[Golde，1947年; Berger，1977]。 然而，这些条纹记录揭示了只能在自然闪电的第一次闪电时才能清楚地看到连续电流。 对于随后的自然闪电的行程，Orville和Idone[1982]报告了一个由下行先导引发的连续电流，该事件显然产生了长约20m的连续电流。 我不知道有任何其他关于自然闪电后续回击记录中显示的连续电流的报告。
在一项由Langmuir Laboratory，New Mexico，Idone等人发起的三次触发闪电研究中， [1984]报告说，这两次闪电中的时间分辨先导图像以20和30米的相应高度与相应的回程图像合并。 通过推论，在这些闪电的回击中可能发生这些长度的连续电流。最近，在佛罗里达州肯尼迪航天中心（KSC）发起的触发闪电中发生连续电流的可能性已通过解释亚微秒时间分辨率的快速电场记录而间接提出[Willett等，1988，1989]。 在这些场波形中存在一个尖锐的初始峰值（在同时的直流电记录中没有被反映）可能是由作为通道终点的避雷针顶部上方的一小段距离发生的回击来解释的。假设这是在这些触发的反击中发生连续电流的结果。 这些考虑促使我进行高速连拍摄影实验，以更好地检查先导对最后几百米左右通道后续回击的传播特性；KSC正在进行的触发闪电研究为此项研究提供了理想的格式。
2.实验
自1983年以来，KSC每年夏季在KSC都会进行合作的触发闪电实验。在这些研究中，在高表面电场期间通过发射小型火箭拖曳接地导线来触发闪电[Laroche等，1985; Eybert-Berard等，1988]。 由此产生的闪电附着在火箭发射场所配备的闪电棒仪表上。到1986年，所有的闪电都是由陆基火箭发射设施触发的。 1987年，第二个触发点在距离蚊子泻湖浅水微咸水30米处建成。 Willett等人的图1显示了该基站[1989]。 基本上，这个触发点由一排火箭发射管组成，这个火箭发射管围绕着一个仪表式避雷针，上升到水面以上约6米的高度。
表1 高度时间分辨的图像分析结果
括号中的数量是百分比误差估计值。 回击1从1989年8月8日，2249 UT的闪电成像； 回击2-5从1989年8月9日，1827年UT的闪电拍摄；从1989年8月13日的闪电拍摄的回击6，0004 UT；反击7-9从1989年8月18日，2021 UT的闪电拍摄。 La，Lb和Lc是对每次回击中任何可能的连续泄放长度的不同估计； V12是分析水平“1”和“2”之间先导的传播速度； T1是先导和回击低于等级“1”的总传播时间；LG1和L12是如图1所示的通道长度；VG1是在假设最小连续泄放长度的情况下杆尖与分析水平“1”之间的引导器速度的估计。
2.1特写连拍记录
过去，两个触发点的闪电都从位于其有效位置以南2.2公里的拖车拍摄。不幸的是，干预的树木覆盖了最后20米或更多的通道。因此，在1989年，高速条纹相机（Cordin Model 351）被安装在水面以南280米的拖车上，为水垫提供了无遮挡的视野。条纹相机带有一个35毫米f / 3.5的Takumar镜头，该镜头拍摄了闪电杆上方最后130米的垂直通道。这相当于我们之前在墨西哥和佛罗里达州触发的闪电观测的空间分辨率的十倍。为了提高时间分辨率，条纹相机以接近80-100m / s的极限速度运行。 （不幸的是，有一次在这些速度下持续运转会导致其中一台摄像机出现轴承故障，这是一种最令人不安的经历！）由于转轴需要最大的稳定性，条纹摄像机被固定在位置上。使用的胶片是柯达2539（Linagraph Shellburst的现代等价物），由柯达开发商D-76的作者进行了罐处理。条纹相机系统被Idone和Orville [1982]描述为触发。
2.2特写辅助录音
视频和慢速（或回击分辨率）长焦记录也可以从部署高速条纹相机的相同位置获得。慢速录制是使用装配有电机驱动器的Nikon F2相机上安装的Questar长焦镜头（1300mm焦距）制作的。使用电机驱动器回卷功能是获得各个回击通道分辨率的关键。采用这种安排，36曝光的胶片盒首先完全不曝光。随着火箭的发射，照相机在电源回卷时被手动跳闸。在5-6秒的时间内记录了单次行程图像，胶片以0.2m / s的大致恒定速率重绕。长焦镜头在水触发点的避雷针顶端进行了训练。在这个距离（280米）处，杆约0.5米，杆上方垂直4.0米位于视场内。对于这些照片，使用了Kodak Technical Pan胶片。正如预期的那样，这些记录揭示了放电通道终止的细节。
3.分析和结果
3.1高时间分辨率录制
在四次触发的闪电中从九个通道获得高度时间分辨条纹记录。 每个通道都用一个数字来标识（见表1）； 每个闪击的日期和时间出现在表格标题中。 除了通道9以外，每次闪击都由向下传播的先导发起。 这些事件的成像序列还不清楚，但这对于此处所提出的分析并不重要。 通道1-5在没有滤过的情况下成像；通道6-9使用＃25深红滤镜成像，该滤镜用于减少日光摄影期间的背景曝光。 由于过滤的不同，对结果没有明显的影响。
3.1.1分析方法和系统解决方案
如果在随后的回击中发生连续电流，则回击在通道终点上方一定距离开始。如图1所示，回击最初从交点开始向上和向下传播。原则上，可以通过评估先导和回击图像轨道合并或相交多远的渠道基础来辨别向上连续的放电。在实践中，条纹记录的固有时间和空间分辨率限制了这种方法。对于一个相对较慢的阶梯式先导（105m / s），它在长达数米的长度上具有重要的意义[Berger，1977，p. 159]，很容易评估连接点的位置。然而，对于起搏器引发的冲击（1 07米/秒），条纹系统的最大时间分辨率将阻止下行先导和回击图像轨迹在一定空间尺度下的清晰分辨，这些系统分辨率问题需要进一步评论。
条纹系统的空间分辨率很容易确定。 对于这些数据，已知的水垫尺寸与静态测试曝光一起使用，在胶片上每1.0mm在物平面上建立8.0m的比例系数。 使用实际的最小片上测量值0.04mm（大约是观察到的较大颗粒的两倍或加工负片中的团块），可以解决物体平面中长度小于0.3米的问题。
条纹系统的时间分辨率主要由胶片写入速率和乳剂粒度决定。对于更小但更可变的程度，大气和乳剂中的处理效果和光散射也影响时间分辨率。重点关注主要因素，对于相同的0.04毫米最小片上测量和写入速度为90米/秒，条纹系统的最大有效时间分辨率为0.44mu;s。由于这仍然相当理想化，并且粗略地认识到所引用的其他因素，因此可以断定条纹系统为部署的时间分辨率约为0.5 / mu;s。因此，在连接点之上的最后0.5 / mu;s的先导传播将不会得到很好的解决。例如，当下行先导沿着垂直通道以2times;107m / s的速度移动时，先导和回击图像轨迹似乎会在通道底部上方约10m的高度处合并，甚至如果没有连续电流发生。因此，两个图像轨道看起来合并的水平确实超过了任何连续电流的实际范围，从而为连接这些回击中的放电提供了“绝对”上限。
图1利用连接放电的雷击的时间分辨摄影产生的引导和回程图像轨迹的理想化图示。
3.1.2图像处理，绝对上限估计，调整后的估计。
这些图像的分析使用由Jandel Scientific制造并由Zenith Z386 / AT个人计算机控制的Jandel视频系统进行分析。 第一步是在高成像的光桌上从下面照亮每个负片图像，并使用系统的黑白Cohu摄像机实时查看图像。 在Sony视频监视器（640 x 480分辨率）上查看图像，进行调整，直到获得令人满意的焦点，照明，放大率和图像的方向。 接下来，视频图像被PCVISIONplus 640x480 frame grabbe（256灰度级）“冻结”并存储在硬盘上。 整个视频监视器上显示的放大倍数为18 倍。
图2 对比时间分辨下行先导的第3次回击（从视频监控器拍摄）的对比增强（负像）图像
然后使用Jandel系统（JAVA）的菜单驱动图像处理软件处理存储的图像。该处理包括对比度增强，垂直边缘增强和直方图均衡（这最后的处理优先增加图像的更常见密度值中的密度的微小差异）。在某些情况下，使用了这些技术的组合。例如，图2显示了下行先导的第3次回击（从视频监控器拍摄）的对比增强（负像）图像。先导和回击轨迹似乎在离通道基点约14米处合并。在图3中，显示了相同的图像进行附加垂直边缘增强和最终对比度增强。下行先导和回击通道的单独轨迹现在被高度强调，并且被判断为在离通道基点约15米的点处合并。每个图像至少以四种方式进行检查，包括刚刚描述的过程以及查看原始图像和直方图均衡版本。不同方法的结果在3-5米之内一致。这种类型的浮动是预期的，因为总是需要一些主观判断来评估特定处理后图像中的合并水平。为了防止对任何特定评估分配过多的权重，每次通道的结果取平均值。这些平均测量结果在表1中以L A值显示。长度范围从13到27米，平均19米。由于这种分析是基于简单地判断先导和回击轨迹的合并点，所以由于记录的固有限制尚未得到解决，因此必须将结果值视为“绝对”上限。
图3 将图二进行附加垂直边缘增强和最终对比度增强
考虑到条纹系统的有限时间分辨率，可以“调整”L A值以产生对这些通道中任何连续电流的最大长度的可靠更好的估计。这些调整值是通过从每个L A值中减去时间分辨率（0.5 mu;s）和引导器传播速度的乘积来计算的;新值列于表1中的LB下。（直接解决先导传播速度如何被估计。）调整值范围从8.0到18米，平均值为12米。在我看来，这些值表示比LA值更好的上界估计值。
3.1.3先导速度估计
先导的传播速度仅使用时间分辨图像本身进行计算。 （不幸的是，单反相机出现故障时，仍然无法拍摄每条闪电的相应通道。）需要进行两种类型的长度测量：沿通道长度和水平图像轨迹位移。后者产生传播时间（见图1供参考）。长度，沿着通道或其他方式的测量仅通过Jandel视频分析系统的形态学选项完成。在此模式下，Numonics 2200数字化板的手持光标直接反映在叠加在分析图像的视频监视器显示屏上的十字线的移动中。一旦以与待分析图像相同的放大率观察到的已知长度进行校准，就可以确定视频图像中任意两点之间的长度。该过程仅仅是移动手持光标，直到视频显示十字线位于第一关注点，然后将该点数字化（即，其相对于视频显示器的x-y坐标被发送到JAVA软件）。当该序列重复第二个点时，计算并显示两点之间的长度。通过这种方式，可以在视频监视器显示屏上直接进行长度测量，可以精确到0.03 mm。 （另一个选项允许总和这些直线段的序列，这用于下面讨论的信道长度测量中。）
通道长度从回击图像边缘测量，这是一个近似值，但准确度应该高于2％。相关的水平之间的传播时间（这些水平在图1中由“1”和“2”表示）是从水平错位对齐的差异导出的，保持在1°内以确保准确性。随着胶片的已知的录入速度（精确到0.1％），净位移产生两个水平之间的先导和回击传播时间的总和。不幸的是，每个传播时间不能单独测量。然而，对于假定的回程速度Vrs，可以获得测量的引导速度的一阶校正（Vmeasrsquo;dVrs）/（Vrs-Vmeasrsquo;d），其中Vmeasrsquo;d是从测量的总位移。这个关系推导如下。设先导的真实速度为Vld。为了沿着长度为L的通道部分传播，先导的真实传播时间（Tld）与总（或此处测量的）传播时间（Tmeasrsquo;d）之比为:
Tld / Tmeasrsquo;d =(L/Vld)/ (L/
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