科研進(jìn)展
閃電規則脈沖爆發(fā)序列的通道發(fā)展和電參數特征研究獲新進(jìn)展
閃電，是自然界中最壯觀(guān)的物理現象之一，不僅對人類(lèi)生活和生產(chǎn)構成威脅，并且還是觸發(fā)其它大氣現象和生態(tài)系統變化的關(guān)鍵因素。隨著(zhù)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雜的物理過(guò)程。
規則脈沖爆發(fā)是一種閃電研究中的奇特現象，在地面快速電場(chǎng)變化波形中表現為間歇發(fā)生但規則間隔的連續脈沖波形，單個(gè)脈沖持續時(shí)間為微秒量級，連續的脈沖序列持續時(shí)間則達到毫秒量級，其發(fā)生機制一直以來(lái)都是學(xué)界的未解之謎。
由中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院范祥鵬團隊進(jìn)行的一項研究，取得了閃電規則脈沖爆發(fā)序列（RPBs）通道發(fā)展和電學(xué)參數特征的新發(fā)現。
在這項研究中，利用團隊自主開(kāi)發(fā)的一種新的物理模型和粒子群優(yōu)化（PSO）方法，估算出連續脈沖的電流和傳播速度，發(fā)現了連續脈沖發(fā)展通道的高度重疊特征。
按照以往觀(guān)測條件，對直竄先導（K過(guò)程）發(fā)展速度的估計作為RPBs脈沖電流的速度范圍，脈沖電流高達88千安培，這超出了大多數地面放電的電流值。然而，通過(guò)甚高頻（VHF）閃電干涉儀觀(guān)測到的RPBs發(fā)展特征表明，這些脈沖的傳播速度顯著(zhù)快于預期，約為0.6×108米／秒到1.8×108米／秒。這一發(fā)現將推斷的電流從88千安培降低到6到18千安培。VHF干涉儀的納秒級觀(guān)測結果為RPBs通道高度重疊遞進(jìn)發(fā)展特征的論斷提供了直接觀(guān)測證據。
對閃電規則脈沖發(fā)生機制的深入研究為未來(lái)的雷電觀(guān)測和分析提供了新的方法和視角，也有望為自然界中其它類(lèi)似現象的機理研究提供參考。
據悉，該項成果于2019年首次投稿于Geophysical Research Letters，但由于當時(shí)缺乏清晰的觀(guān)測證據證實(shí)新發(fā)展模型獲取的分析結論，這項研究經(jīng)過(guò)多輪審稿后被長(cháng)期擱置。近年來(lái)范祥鵬團隊堅持多頻段閃電探測技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)，特別是由其提出的全脈沖識別的閃電干涉儀定位新方法將干涉儀對閃電放電事件的時(shí)間分辨率由以往的微秒量級提升至納秒量級，納秒量級分辨率的高精度觀(guān)測為5年前的模型分析結論提供了直接的觀(guān)測證據，從而使這項研究的結論于今年得以發(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，美國新墨西哥理工大學(xué)、中國氣象科學(xué)研究院和復旦大學(xué)科研人員參與了該項研究。該研究獲國家自然科學(xué)基金項目、中國博士后科學(xué)基金、甘肅省科技計劃和美國國家基金項目共同資助。
論文鏈接：https：／／agupubs．onlinelibrary．wiley．com／doi／10.1029／2023GL106582
圖 1． 云閃（A）及其規則脈沖爆發(fā)序列 （RPBs，B） 的三維觀(guān)測 （a） 高度－時(shí)間關(guān)系圖，以及在CHJ站測量的LF／VLF電場(chǎng)，該站作為坐標原點(diǎn)；（b） 東－西方向的垂直投影；（c） 輻射源數量及高度統計（RPBs 在 1 毫秒內產(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）對規則脈沖爆發(fā)序列中連續脈沖的二維觀(guān)測結果，顯示這些脈沖比正常的直竄先導速度更快，并且從一個(gè)脈沖到另一個(gè)脈沖之間重疊較強 （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）。這一現象發(fā)生在約 2 微秒的時(shí)間間隔內，對應的速度約為 108 米／秒。脈沖代表的擊穿速度遠高于已知的閃電先導通道發(fā)展速度。
