人工触发闪电及其形成机制

闪电是强对流风暴中的瞬态放电现象。自古以来，雷电所产生的划破长空的炫目的闪光以及与之相伴随的震人心魄的霹雳给人们留下了强烈的印象，因而成为近代科学最早研究的对象之一。目前人们对闪电形成机制的研究主要来自高压实验室内的人工模拟雷电实验，与自然界闪电有所差异，故在对闪电形成机制学说的理解上，既要注意其局限性，又要注意相似性。

1.2.3.1　人工触发闪电

1.人工触发闪电技术

目前采用的人工引发雷电技术是在雷暴当顶且地面电场强度达到3kV/m时，发射拖带直径为0.2mm细金属丝的小火箭。绕有金属丝的线轴固定在火箭的尾翼上，火箭的飞行速度为100～200m/s，最大飞行高度约800m。金属丝下端可以是接地的（地面触发方式），也可以是不接地的（空中触发方式）。在后一种情况下，火箭升空时首先从线轴放出的是几十到几百米长的尼龙线，然后才是与地绝缘的金属导线，由于这种方式能模拟自然闪电的下行先导的接地行为，因而目前得到了较多的使用。当火箭上升到离地面几百米高度时，环境电场强度为3～30kV/m。由于细金属丝对电场的局部增强作用，在紧靠导线上、下端处的电场强度就会超过106V/m而发生电击穿，并以电子雪崩的方式先后形成向上和向下传输的先导。下行先导首先到达地面，形成类似于回击的快速电荷中和过程（微回击），然后上行先导进入云中，形成了云-地之间的电流通道。

2.人工触发闪电的意义

人工触发闪电是研究闪电和利用闪电的重要途径之一。由于自然闪电在时间上和空间上的随机性，给研究闪电带来了一定的困难，而人工触发闪电则可以弥补其不足。在触发之前可以做好各种观测和测试准备，因此，可以方便地对闪电的机制、闪电的物理化学过程等进行研究。通过人工触发闪电还可研究闪电对人体、建筑物以及电器、电子设备等的破坏作用，以找到防雷击的有效技术。人工触发闪电在军事上也有广泛的用途，如在发射大火箭之前，先发射小火箭以触发云中闪电，以便在带电云中暂时打开一个安全通道，使大火箭、导弹等飞行器安全通过。同时，人工触发闪电还可以作为核爆电磁脉冲信号的模拟信号源，以用于检验爆炸定位系统的工作情况，也可能作为人工影响雷电和防雹消雹的一种手段，对农业减灾方面有所贡献。总之，人工触发闪电作为可以控制的模拟自然雷电源，在雷电机理研究、雷电防护以及电力、通信、军事及宇航等部门都有着广泛的应用前景。

1.2.3.2　闪电的形成机制

1.关于先导机制的学说(www.xing528.com)

闪电是大气电场增强到一定程度后空气的自持导电现象，因此可以引用实验室条件下关于实验气体从被激导电转化为自持导电的学说。绝缘的气体在强电场作用下，当电场强度达到一定值时，初始的少量带电粒子在电场力的作用下加速，当动能达到一定值时，可以通过碰撞作用把能量传给气体原子或分子并使之电离，产生更多的电子，新产生的电子被加速后再去碰撞，从而产生类似雪崩一样的连锁反应，这种现象称为电子崩，最后绝缘气体变成良导体，气体被击穿。实际上，根据H.Reather和K.W.Wagner先后利用云室照相拍得的气体放电照片可以看出，导体通道中除了电子崩以外，还有扩展更快的“流光”，它们是被碰撞的原子、分子或离子发出的光子以及光子撞击原子、分子而产生的二次电子及电子崩所组成的。这些流光才是造成气体击穿电离的主要因素，而闪电的先导正是靠流光开辟闪电通道的，光子的速度比电子大得多，所以先导推进的速度较快。

2.积雨云电击穿机制

空气的电击穿所需要的电场强度约为3×104V/cm，而云中出现流光形成梯级先导时，实验测得此时云中的电场强度还远未达到此值。麦基（Macky）在1931年发现：在强电场的作用下，水滴极化并沿电场方向伸长，当电场强度超过临界电场时，水滴就变得很不稳定，开始电晕放电，水滴两端发出流光。如果水滴半径取0.1cm，则临界电场为1.2×104V/cm，如果水滴半径取0.2cm，则临界电场为0.87×104V/cm，这说明云中水滴在较低的场强下就产生流光了。实验观测表明，在积雨云出现下行先导之前，云内已先有流光发展，使云下端的次正电荷区与云中部的主负电荷区导通，积雨云的负电荷从中层发展到下层。

3.云地间的先导通道

在云下方与大地之间的大气电场强度，从观测值来看，几乎未达到1×104V/cm，而梯级先导的流光向下方推进所需要的电场强度至少要达到3×104V/cm，即空气的击穿场强。由于云中先导已经形成了高度电离的通道，云中电荷就会沿通道充满先导的下端，在这尖端附近就产生电场强度很高的不均匀电场，其值远远大于3×104V/cm，它足以使附近的大气击穿导电，而且其作用力产生的电子迁移速度可达107cm/s，这正是梯级先导的传播速度。先导通道的电阻非常小，故先导下端与积雨云中负电荷区中心处的电位几乎相等，先导的下端很容易发出流光，迅速推进先导一级一级地跃进。

4.其他地闪的先导

下行负地闪虽然占地闪的70%～90%，但是近几年上行闪电也越来越受到人们的重视。因为先导是从地面发展的，可以瞬间提供足够的自由电荷，所以一般来说，上行雷没有回击。当上行先导只伸展到云中负电荷区，不出现回击，这是上行负地闪；当此先导伸展到云顶深处，与正电荷导通，范围很高，先导通道顶端与地面的电位差非常大，引起的回击特别强烈，此时为上行正地闪。