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闪电的梯级先导产生的电场

E. PHILIP KRIDER, CHARLESD. WEIDMAN, AND R. CARL NOGGLE

亚利桑那大学大气物理研究所 图森 亚利桑那州

在回击对地放电之前由梯级先导和箭式先导产生的电场，在佛罗里达和亚利桑那州已经记录了。梯级先导平均间隔时间为16mu;s，箭式先导之间的平均间隔为6-8mu;s。在佛罗里达，先导脉冲的幅值增加恰好在回击之前，最大的通常约为回程峰值的10%。在亚利桑那州，先导辐值小于佛罗里达州，与回击有关，并不容易识别。普通梯级先导产生的波形与箭式先导的波形相似，并且箭式先导产生的波形非常类似于云内放电，单个阶跃的上升时间通常为10-90%，小于0.3mu;s，并且阶跃脉冲的半峰值宽度通常为0.4-0.5mu;s，其中传播失真最小。梯级先导波形的振幅和形状说明阶跃电流的峰值至少为2000-8000A，接近地面和最大速率的阶跃电流的变化量6-24kA/tts以上，在阶梯形成期间对最小电荷量的粗略估计为（1-4 ）*10^-3C

近年来，人们对于时变电磁场的波形有了新的兴趣，这一兴趣由Uman[Uman和McLain，1969，1970a，b; McLain and Uman, 1971; Uman，1971; Uman 等., 1975a]等人的理论工作激发出来。这一理论表明，在一定情况下，电场和磁场都可作为时间函数[Uman等人，1973a，1975b; Krider and Radda, 1975]. 来确定梯级先导和回击的特征。在这一系列报告中，我们展现了一些对佛罗里达和亚利桑那的梯级先导和回击过程块电场测量的数据，并且我们详细检查了这些区域的电场结构。

梯级先导的记录主要集中出现在地闪放电回击过程开始前的200mu;s。在这一间隔中，先导的尖端触碰到大地表面，并且最终于向上的流光相连接，因此，先导在这最后阶段的物理特征引起了那些关注闪电物理过程和雷电防护的人的兴趣。

据我们所知，对于梯级先导恰好在回击过程之前的详细研究是由Krider和Radda[1975]做出的，他们在距佛罗里达100-200km或更远的地方获得了数据。不幸的是，在这么长的距离中，先导电场的波形和辐值很可能被地球表面的传播所破坏。因此，距离较近些的闪电，它们的传播失真较小[Wait，1956,1957]，所得数据可能更有意义。

在本报告中，由梯级先导和回击产生的电场记录都是在佛罗利达和亚利桑那的放电引起的。正如我们预期的一样，在佛罗里达产生的数据与之前Krider和Radda[1975]得到的数据很相似，除了从更近距离观测到的放电过程中脉冲上升时间更快且脉冲宽度更窄。亚利桑那州的先导脉冲辐值一般都比佛罗里达州的小一些，这涉及到回击，并且很难识别。先导脉冲振幅的增加通常恰好在回击开始之前，在佛罗里达，最大增幅大约为回击峰值的10%。

连续先导脉冲的峰值和最大先导脉冲的振幅之间的间隔时间的直方图与回击有关，展现了佛罗里达和亚利桑那的放电情况。箭式先导的脉冲间隔时间和相对振幅也会制作成表格，有时超前的回击就跟随在第一次回击之后。先导脉冲上升时间和脉冲宽度的直方图表现了那些，几乎是完全在海面上被记录，因此而不失真的近距离放电的特征。基于电场的测量数据对先导的阶梯电流进行粗略估计显示，峰值电流约为2000-8000A，近地面的电流可能会更大。

仪器

电场的感应天线和电路的结构示意图如图1所示。当天线，即一个面积为A（0.20m²）的平面板被接地的保护环包围时，就会暴露在一个变化的外部电场E中，对板充电所需的电流Q=ε₀EA，整合产生的输出电压V与E成正比：

V=ε₀AFE/C

其中C是集合电容，ε₀是大气的电容率，F是校正电场E中由于天线放置产生的不一致性的因子。这种天线设计优点在于传感元件可以远离电子而依然可以完全传导。天线增益可以通过改变C值或衰减信号电流来调节。由于天线电流可以和同轴电缆（50Omega;）在同一阻抗下有效终止，所以传感平板可以一直保持接近地电位。分流电阻器R是选来让电容器C的放电比在外部电场中我们感兴趣的时间更长。

图1 电场的感应天线和电路的结构示意图

C_G是天线板和地面之间的电容

在佛罗里达州和亚利桑那州的电场中，天线都放置在接地研究的车辆顶上，车辆中还包含了天线电子和波形测量仪器。波形因子F是通过比较屋顶天线对遥远闪电的响应和装置在距离研究车辆50米远的第二个天线的响应来确定的。作为一致性检查，两个正交磁性天线系统[Krider和Noggle， 1975] 被用来验证远距离闪电（辐射场）产生的电场和磁场有同样的形状，正如Uman等人的理论预测的那样[Uman等人，1975a]，同时确定放电的方位角[Krider等1976；Herrman等，1976].

电场天线的输出可以由两种方式来记录，如同图2示意图所示。在图2a中，综合输出电压通过使用Biomation 模型805预触发波形记录器进行数字化。在预触发模型中，对输入电压进行采样并连续数据化，然后存储在2048字（X8 bit) 移位寄存器。当接收到高于触发阈值的输入信号时,触发前后的预定时间间隔中，移位寄存器的内容可用于输出。通常来说，阈值设置得很高，因而大部分触发都是由于闪电对地放电的第一次回击产生的。预触发会设置延迟，这样在回击之前80-200mu;s的先导电场也可以一起被记录下来。数字化速率恒定保持在5MHZ（每0.2mu;s一个样本），这是Biomation的最大速率。数字化波形又通过Biomation 805被转换为模拟电压，通过一个双光束示波器显示出来，并用一次成像相机或带移动胶片的35mm相机拍摄出来。在预触发记录模式下，只有一个Biomation触发器，通常情况下每一次闪电放电的第一次回击都会被记录。

在第二个波形记录配置中（图2b），天线输出被延迟了2mu;s并且直接在双光束示波器中用带移动胶片的35mm相机拍摄出来。示波器的触发源自于天线信号放大的绝对值，以证明触发与波形极性无关，并且所有超过阈值的电场都被记录下来了。触发阈值可以调低或调高来接收或忽略梯级先导的脉冲和其他与回击一起的小电场。在这两个实验安排中，示波器时基同时提供快和慢的时间解析度。天线系统的反应时间主要由增益带宽、积分器的转换速率还有模拟延迟线限制。在我们的案例中，天线系统上升时间的10-90%大约是0.15mu;s，正如图3b所示，约0.3mu;s从零到峰值。系统中电阻-电容（RC）的衰减时间约为2ms，比在外部电场感兴趣的变化时间长得多。

图2 Biomation波形记录系统的框型示意图（a）和波形直接拍摄系统（b）

图3 天线系统的相对反应时间体现在图1中，包括一个2.0mu;s的延迟线

（a）输入电压 （b）输出

数据

佛罗里达州的数据是在1975年的夏天，用美国航空航天局肯尼迪航天中心的东边缘的宇宙照相机12获取的，这个点大约在发射台39A东南方1.5km，距离大西洋50m。亚利桑那州的数据是在图森国际机场的北边缘获取的。在本次研究中获取的所有先导和回击的电场极性都表明负电荷靠近地面会变小。

用Biomation记录系统（图2a）获得的电场样本都展示在图4-7中。在每个记录中，一个触发数字转换器输出的突然回击转变R，和在它之前由于梯级先导中的单独阶梯出现的几乎是单极性的小脉冲L一起展现出来。假设小脉冲L是由于梯级先导出现的原因之前已经由Krider和Radda[1975]讨论过了。恰好在回击之前的下部轨迹的部分在图4、6、7每个记录的顶上表现出反转和更快的时间尺度，因此单个先导脉冲的波形就更加明显。波形快速变化部分上的各个点都是由Biomation数字转换器记录的0.2mu;s样本点。

图4的记录是观测佛罗里达州的闪电放电得来的，距闪电位置大约30-100km，并且表现了先导脉冲恰好在回击开始之前增加振幅的趋势。在大约一半的记录中，振幅明显增加30-50%，在大约15%的案例中出现了大幅度增加（2或3因子）。在90%的记录中，最大的先导脉冲是回击前的最后一次脉冲，在约6%的记录中，最大的是最后一次的旁边一个脉冲。

图5中显示的波形是佛罗里达州距离较近（10-20km）的闪电放电产生的，而且由于回击在稍后时间发生了持久的静电抵消。Tiller等人[1976]最近就要发表用统计数据将回击的行为总结为一个距离函数。因为梯级先导产生的电场变化速率确实快而且间隔短，即使是极近距离内的闪电波形也都是直接由一般场方程中的辐射场项[Uman等人，1975a]来描述。辐射场在所有距离闪电的回击产生的电场中最初的几毫秒也占据了主导[Tiller等人，1976；Uman等人，1976]。图5中的先导脉冲几乎和图4中的形状相同，如果电场被辐射项主导则会期望它们。

图4 在佛罗里达州距离20-100km的四次闪电放电产生的电场波形。每个记录都包括了由梯级先导L的一些小的特征脉冲领先的突然回击的转变R过程。这篇文章中所有波形的极性都是接近地面会减小的负极性。同样的波形同时用低速（40mu;s/次）和快速(8mu;s/次)时间尺度表现出来。图4a中的快速轨迹的垂直增益由于低速轨迹的关系放大了2倍

图5e和6中几乎展示了Biomation数字转换系统记录的约10%触发记录。可以注意到图5e和6中的先导脉冲幅度相当均匀而且它们是以短规律间隔出现的。这些先导信号与图4和7中的不同，大约是由箭式先导过程[Schonland等，1935；Schonland，1956]产生的，这些信号有时会出现在第一次回击之后的继后回击之前。为了获得图6的记录，闪电的第一次回击的峰值脉冲必须要低于触发阈值。在通过直接拍照获得的首次回击和继后回击的记录中，大的继后回击被先导脉冲领先是很常见的。被箭式先导领先的回击波形大都与继后回击特性相同，而且缺乏首次回击分支部分明显的多重峰特性。[Krider和Weidman，1976]。箭式先导脉冲的形状与普通梯级先导的很相似，和云内闪电的一般脉冲产生的波形也很像[Krider等，1975]。

图5 在佛罗里达州距离10-20km远发生的五次闪电产生的电场。

5e中由箭式先导领先的回击的特征

在亚利桑那州获取的先导和回击的波形都展示在图6c，6d和7中。普通先导脉冲的形状和那些在佛罗里达州获取的都很相似，只除了那些由于回击的关系倾向于变小的脉冲振幅，因此也就很难界定。相反的，佛罗里达州和亚利桑那州的箭式先导脉冲的相对振幅通常都很相似（看图6）。

图6 由佛罗里达和亚利桑那的回击产生的电场波形。佛罗里达州的闪电放电是在100km外或更远，亚利桑那州的数据大概在50km远。也可见图1的讨论。

图7 亚利桑那州在15-50km距离的四次放电产生的电场波形。也可见图1的讨论。

在佛罗里达州用直接拍照记录系统（图2b）获得的快时间分辨的先导波形样本展现在图8和图9中。这些电场通常是由海面上距离2-30km远的闪电放电产生的。据我们所知，这些先导数据是在传导引起的失真很小和亚微秒解析度的情况下第一次获得的。图8和图9中的电场波形和图4中更远距离的电场波形很相似，除了脉冲上升时间经常接近天线系统的极限。有趣的是，包括先导脉冲在内都经常有第二个峰值，或是在首次峰值0.2-0.4mu;s后有一个波动（见图8b，9b，9d）。

左，图8佛罗里达州近距离梯级先导和回击产生的电场波形。（a，b）2-3.2km距离远的闪电放电产生的示波器记录。（c-e）海面上距离15-30km的放电记录，反转相关图8a和8b。图8c-8e中低轨道（10mu;s/次）的初始部分反转显示并且上轨道基础上有个2mu;s/次的时间

右，图9 海面上距离20-30km或更近的闪电放电产生的梯级先导的快时间变化记录

恰好在回击前的这些先导脉冲的物理特性总结在图10-16的直方图中。用Biomation系统记录的波形，连续先导脉冲之间的间隔时间绘制在图10中，箭式先导的间隔时间在图11中。在佛罗里达州，普通先导和箭式先导的间隔时间都很规律，特别是大约平均16mu;s（图10a）和6.5mu;s（图11a）的间隔。16mu;s的值就比Krider和Radda[1975]给出的结果稍大了，他们并没有在测量中对两种先导过程进行区分。在亚利桑那州，普通先导的时间间隔分布很宽（图10b），因为脉冲振幅往往很小也很难界定。佛罗里达州和亚利桑那州（图11）的箭式先导间隔时间的平均值都很相近，和云内闪电的小规律脉冲的间隔时间也很相近[Krider等人，1975]。

左，图10 连续梯级先导之间的时间间隔的直方图，（a）是佛罗里达，（b）是亚利桑那。所有先导间隔都恰好在回击前200mu;s的阶段内。间隔的数量N，平均值，标准差sigma;都表示在图中。虚直线表明了算术平均值的位置。

右，图11 箭式先导过程中梯级间的时间间隔直方图，（a）是佛罗里达，（b）是亚利桑那

对于佛罗里达州的闪电放电，最后一次清晰确定的先导脉冲的峰值的间隔时间和后续回击的峰值都绘制在图12中。这个分布没用表现出Krider和Rdaad[1975]展示的双峰结构，因为只有解析好的记录被测量了。由于不同先导通道中的梯级有时会交替发展[Berger,1967]，在图10-12中表现出来的间隔确实比任何一个通道的极限值都小。

图12 佛罗里达州的闪电放电中最后一次先导和接着的回击峰值之间的时间间隔的分布直方图

对于普通先导和箭式先导，回击峰值对最大先导脉冲辐值的比值特意在图1

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