科研進(jìn)展
閃電規(guī)則脈沖爆發(fā)序列的通道發(fā)展和電參數(shù)特征研究獲新進(jìn)展
閃電，是自然界中最壯觀的物理現(xiàn)象之一，不僅對(duì)人類生活和生產(chǎn)構(gòu)成威脅，并且還是觸發(fā)其它大氣現(xiàn)象和生態(tài)系統(tǒng)變化的關(guān)鍵因素。隨著技術(shù)的進(jìn)步，研究人員正在使用更先進(jìn)的工具和方法來(lái)研究閃電，以期更好地理解其復(fù)雜的物理過(guò)程。
規(guī)則脈沖爆發(fā)是一種閃電研究中的奇特現(xiàn)象，在地面快速電場(chǎng)變化波形中表現(xiàn)為間歇發(fā)生但規(guī)則間隔的連續(xù)脈沖波形，單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間為微秒量級(jí)，連續(xù)的脈沖序列持續(xù)時(shí)間則達(dá)到毫秒量級(jí)，其發(fā)生機(jī)制一直以來(lái)都是學(xué)界的未解之謎。
由中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院范祥鵬團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的一項(xiàng)研究，取得了閃電規(guī)則脈沖爆發(fā)序列（RPBs）通道發(fā)展和電學(xué)參數(shù)特征的新發(fā)現(xiàn)。
在這項(xiàng)研究中，利用團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)的一種新的物理模型和粒子群優(yōu)化（PSO）方法，估算出連續(xù)脈沖的電流和傳播速度，發(fā)現(xiàn)了連續(xù)脈沖發(fā)展通道的高度重疊特征。
按照以往觀測(cè)條件，對(duì)直竄先導(dǎo)（K過(guò)程）發(fā)展速度的估計(jì)作為RPBs脈沖電流的速度范圍，脈沖電流高達(dá)88千安培，這超出了大多數(shù)地面放電的電流值。然而，通過(guò)甚高頻（VHF）閃電干涉儀觀測(cè)到的RPBs發(fā)展特征表明，這些脈沖的傳播速度顯著快于預(yù)期，約為0.6×108米／秒到1.8×108米／秒。這一發(fā)現(xiàn)將推斷的電流從88千安培降低到6到18千安培。VHF干涉儀的納秒級(jí)觀測(cè)結(jié)果為RPBs通道高度重疊遞進(jìn)發(fā)展特征的論斷提供了直接觀測(cè)證據(jù)。
對(duì)閃電規(guī)則脈沖發(fā)生機(jī)制的深入研究為未來(lái)的雷電觀測(cè)和分析提供了新的方法和視角，也有望為自然界中其它類似現(xiàn)象的機(jī)理研究提供參考。
據(jù)悉，該項(xiàng)成果于2019年首次投稿于Geophysical Research Letters，但由于當(dāng)時(shí)缺乏清晰的觀測(cè)證據(jù)證實(shí)新發(fā)展模型獲取的分析結(jié)論，這項(xiàng)研究經(jīng)過(guò)多輪審稿后被長(zhǎng)期擱置。近年來(lái)范祥鵬團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持多頻段閃電探測(cè)技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)，特別是由其提出的全脈沖識(shí)別的閃電干涉儀定位新方法將干涉儀對(duì)閃電放電事件的時(shí)間分辨率由以往的微秒量級(jí)提升至納秒量級(jí)，納秒量級(jí)分辨率的高精度觀測(cè)為5年前的模型分析結(jié)論提供了直接的觀測(cè)證據(jù)，從而使這項(xiàng)研究的結(jié)論于今年得以發(fā)表。
該研究成果以Channel Development and Electric Parameter Characteristics of Regular Pulse Bursts in lightning為題發(fā)表在地學(xué)領(lǐng)域期刊Geophysical Research Letters上，西北研究院范祥鵬副研究員為論文第一作者和通訊作者，美國(guó)新墨西哥理工大學(xué)、中國(guó)氣象科學(xué)研究院和復(fù)旦大學(xué)科研人員參與了該項(xiàng)研究。該研究獲國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國(guó)博士后科學(xué)基金、甘肅省科技計(jì)劃和美國(guó)國(guó)家基金項(xiàng)目共同資助。
論文鏈接：https：／／agupubs．onlinelibrary．wiley．com／doi／10.1029／2023GL106582
圖 1． 云閃（A）及其規(guī)則脈沖爆發(fā)序列 （RPBs，B） 的三維觀測(cè) （a） 高度－時(shí)間關(guān)系圖，以及在CHJ站測(cè)量的LF／VLF電場(chǎng)，該站作為坐標(biāo)原點(diǎn)；（b） 東－西方向的垂直投影；（c） 輻射源數(shù)量及高度統(tǒng)計(jì)（RPBs 在 1 毫秒內(nèi)產(chǎn)生104脈沖）；（d ，e） 平面圖和輻射源的南－北方向垂直投影（圖A出自 Fan 等 ，2018）。
圖2． VHF干涉儀（Fan et al．，2023a；2023b）對(duì)規(guī)則脈沖爆發(fā)序列中連續(xù)脈沖的二維觀測(cè)結(jié)果，顯示這些脈沖比正常的直竄先導(dǎo)速度更快，并且從一個(gè)脈沖到另一個(gè)脈沖之間重疊較強(qiáng) （a）。從平面距離 D ＝ 5.8 公里和干涉儀仰角的差異（例如，60.5° 和 60°），可以得出脈沖的 VHF輻射源的垂直范圍約為 205 米 （c）。這一現(xiàn)象發(fā)生在約 2 微秒的時(shí)間間隔內(nèi)，對(duì)應(yīng)的速度約為 108 米／秒。脈沖代表的擊穿速度遠(yuǎn)高于已知的閃電先導(dǎo)通道發(fā)展速度。
