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对在带正电荷的闪电分支上发现的针状结构的研究
B.M.Hare,O.Scholten,J.Dwyer,etc
Nature568, pages360–363 (2019), Published: 17 April 2019
摘要：闪电是一种危险的自然现象，但人们对它的了解却很少。闪电形成了一个由等离子体通道组成的网络，这些通道从起始点向外传播，两端都带正电荷和负电荷，将这样的通道称为正先导和负先导。负先导以离散的形式传播，在30 - 300兆赫的频段发射出强烈的无线电脉冲2.3.4.5.6.7.8，可以通过分辨率模式进行遥感和成像操作9.10.11。正先导的传播更为连续，因此高频辐射很少。然而，来自正先导发射的无线电已经可以被绘制出来13.14.15.16，并且呈现出一种不同于负先导11.12.13.16.17的模式。除此之外，根据推测正先导与负先导9、12、16、18-20可以暂时性的断开，这可能导致电流脉冲，之后将正先导和负先导11、16、17、20-22重新连接起来后，会造成多个回击。这个断开过程被认为是由于负微分电阻造成的，但这并不能解释为什么断开，或者为什么回击中的电流永远不会变为零。事实上，目前还不清楚正先导是如何发出射频辐射的，也不了解与负先导的行为模式为何存在不同。在这篇报告中，进行了荷兰闪电的三维无线电干涉观测，此次观测过程具有前所未有的时空分辨率。观测实验中发现了小的等离子体结构，被称为针结构，针结构是正先导辐射的主要来源。这些结构似乎会将电荷从正、负先导上吸走，这可能是正先导和负先导断开的原因，也是回击多次发生的原因。
利用30-80兆赫范围内的低频阵列射电望远镜收集到的无线电数据对闪电进行三维成像的计算。荷兰部分的低频阵列射电望远镜特别适合研究和观察闪电，因为它有数千个交叉偶极天线分布在荷兰北部3200km2的区域，它节省了原始时间序列数据24.25。在这项研究中，我们将整个放电事件称为“闪电”。每一个闪光都由许多结构组成，其中包括正、负先导。每个结构都会发出具有大量短脉冲的射电源，在每个天线上都可以看到脉冲，短脉冲能量的起源被称为射电源，平均每us我们可以定位一个放电事件的发生，水平定位精度超过2m。
图1显示了2017年9月29日的闪电，距离低频阵列射电望远镜的核心约18km。每个点都是一个射电源的位置，在补充资料中描述了定位无线电脉冲源的算法。4公里以上的射电源与正先导有关，位置较低的射电源与负先导有关。其显著特征是，与正先导相比，负先导往往拥有非常密集和强烈的射电源。闪电在4km的高度处及在前20ms左右，一个向下的负先导开始形成发展。然而，正先导是不可见的。只有时间为15ms时，才会在起始点上方约300米高度出现断开的射电源。这意味着，在没有发射无线电脉冲的情况下，正先导伸长了，并且随着时间的推移，正先导的结构伸长了5km。
图 1 2017年闪电图形
每个点都是一个射电源的位置。来自正先导PL)和负先导(NL)的射电源都被显示出来，当负先导连接到地面时，它会产生一个“短”的先导，沿着闪电通道向上传播，称为回击(RS)。
先前的研究无法确定正先导发射的无线电能量是由于正先导尖端的传播，还是由于沿等离子体通道传播的电流脉冲11.13.17。图2是由低频阵列射电望远镜绘制的部分正先导与负先导。很明显，正先导和负先导的传播方式是不同的。负先导只在顶端存在射电源；正先导也只有很少的射电源在顶端，这与所预测的逐渐增长的结构的一致。正先导的特征是，正先导上的射电源似乎沿着其传导方向“闪烁”，并随着时间的推移显示其形状。这些闪烁的来源之前已经报道过，但没有进行仔细的研究11,17。通过观察，大多数射电源在正先导的通道路径上，都形成了小的针结构。在图2中，11个针状结构被标记为N1到N11。通过对2016年和2017年的闪电的观察，在正先导上其他也发现了类似的结构，但在负先导上并没有发现。
图 2 图1的细节扩展图，左边的为正先导，右边为负先导
正先导上的针状结构标记为N1到N11。方框表示的区域如图3所示。灰线表示的是正引线的近似路径。
低频阵列射电望远镜得到的数据使得针结构得到更深入的分析。图3显示了一根针，大约70米长，最窄的地方不到5米宽。由于这个宽度与望远镜定位精度相当，可推断得知这个针结构的固有宽度可能小于5米。图3左边的高度-时间图显示了五组不同的射电源。这五组射电源以每4-6毫秒一次的频率沿针方向出现，这种现象解释了正先导上的射电源似乎在“闪烁”的原因。右边的图显示了一次特定闪烁的放大。在这个闪烁发生时，射电源的传播距离明显超过55米向着远离正先导的方向传播，平均速度约为3times;105m/s，与负先导的传播速度相似1。这意味着，每一次闪烁会将电荷从正先导上移开，导致正、负先导的断裂。此图像与预想的较为相似。
图 3 图2中标记为N4的结构周围区域
在2017年的闪电观测中，沿着正先导方向大约有75-85个类似的针结构；在2016年的闪电观测中有30-40个类似的针结构，这些针的特征都与图2中的N4相同。图像情况较为清晰的针结构约有30-100米长，有多个闪烁。这种闪烁的频率几乎是每3-7毫秒出现一次。每一闪从正极先导向外传播的速度约为3times;105m/s。目前图像无法清晰的显示出闪烁与附近的针是否存在关联。
对这些针状体存在一种可能的解释，在先导的尖端有一个复杂的带正电的流光体系统，它不断地将负电荷吸引到先导通道中，并允许先导尖端通过欧姆加热伸长，此过程并不需要发射无线电脉冲。这些带正电的流光会产生电离但导电性不强的空气区域，随后在此区域，电场的方向是指向正先导通道。这种强电场在电离程度最高的空气区域，会导致负击穿，从先导通道附近开始，向外传播。这就暂时降低了正先导主要传输通道周围的电场。然后，随着正先导在其传播端继续收集负电荷，电场继续增长，电场方向发生反转。因此，这个过程不断重复，解释了为什么每根针都有多个闪烁。这个假设如图4所示。
图 4 正先导的一部分
绿色箭头表示的是先导核心的电场方向。顶端的电场通过带正电的流光吸收负电荷，如蓝色所示。流光留下了电离的空气区域。先导的尖端后面的电场会反转方向。最终，电场将剩余的流带区域重新电离，并从先导通道中释放负电荷，如图底部附近的红色所示。
还有一种可能的机制可以解释正先导通道反转周围电场的方向仅仅导致正先导通道的增长。正先导通道很容易失去导电性后与负先导断开9.12.16.18.19.20。如果与负先导断开连接后，正先导的尖端继续传播，那么沿着正先导方向的电势将持续减弱29。这一过程创造了一个足够强的电场来诱导针状闪烁的发生。
欧姆加热是由正先导通道产生的电流引起的1、18、27、30，先导通道通过欧姆加热保持导电。由于针把电荷从通道引出来，通道下方的电流就会减小，因此欧姆加热也会减小，负微分电阻会增强，由于以上原因，针闪烁导致先导通道导电性变弱，先导通道会出现短暂性断开。一旦断开，上述电场反转机制就会增强，产生更多的针，这是一种正反馈机制。
即使先导通道在断开连接后，正先导的尖端仍会继续传播，电势也会继续降低。最终，通过断开的电场可能会超过反向击穿电场，并产生重新连接的电流脉冲。通常，在回击中，这种脉冲会一直传播到地面，并将整个闪电通道重新连接到地面。当闪电重新与地面连接后，整个过程形成一个循环，这就解释了为什么回击经常与地面多次重合。
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