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高分辨率探測揭示雷電連接過程“最后一跳”特征

MEMS ? 2021-02-26 09:08 ? 次閱讀

“連接過程”是云對地閃電的下行先導放電靠近地面時,誘發地面一個或多個物體產生上行先導放電,二者最終發生連接從而導致大電流回擊的重要過程。其發生對于確定地面雷擊目標物具有決定性作用,在雷電防護領域受到長期關注。然而,在雷電連接過程中,正、負先導之間發生擊穿導通的“最后一跳”(Final Jump, or, Breakthrough Phase),持續時間僅微秒量級,探測相當困難,一直是雷電物理研究的瓶頸。

中國科學院大氣物理研究所研究員郄秀書團隊利用高聳鐵塔易遭受雷擊的特點,圍繞325米氣象塔設計了周密的光、電、磁多手段同步綜合觀測方案,既著眼于高塔雷電的發生環境、整體物理過程特征等宏觀機理,又關注閃電先導傳輸、連接等過程的詳細演變和微觀物理機制。經過多年研究,首次獲得了自然雷電連接過程最后一跳的連續幀光學探測資料。

大氣所副研究員蔣如斌和博士后Srivastava Abhay等開展深入研究,獲得相互靠近的正、負先導頭部之間的公共流光區(common streamer zone)特征,并發現公共流光區建立后,正、負先導的熱電離通道均繼續向前進行了延伸。公共流光區從弱發光、低電離狀態演變為強發光、熱電離狀態的過程,實際上是主導流光路徑的優勢增長過程,這一路徑在正、負先導的流光發生接觸時即已基本確定。研究還在公共流光區內發現了空間先導發光段,為解釋以往觀測到的異常連接行為(如負先導頭部連接至正先導頭部后方的通道)提供了新的有利證據。

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基于325米氣象塔閃電連接過程觀測,首次獲得自然閃電“最后一跳”的連續幀光學圖像(b、c)。圖像拍攝速率38萬幅/秒,時間分辨率2.63微秒,圖中藍色三角表示氣象塔所在位置

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閃電最后一跳的演化機制:(a)根據傳統認識推測的物理情景,(b)、(c)新觀測結果指示的物理情景

相關研究成果發表在Geophysical Research Letters上,論文接收版在線上刊出后,作為PRESS RELEASES新聞在AGU NEWsroom主頁推介,并被列入Geophysical Research Letters期刊主頁Highlight板塊。此外,美國《科學新聞》雜志(Science News)、《邁阿密先驅報》等也對該成果跟進報道。

研究工作得到國家重點研發計劃、中科院前沿科學重點研究計劃、國家自然科學基金重點項目等的資助。

責任編輯:lq

原文標題:高分辨率探測揭示雷電連接過程“最后一跳”特征

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