中科院人工引雷成功！那么问题来了：闪电都是从天而降的么？
近日，一则中科院大气物理所在山东做的人工引雷试验视频在各路社交媒体网站广为流传。视频中，一枚尾部拖带有金属导线的迷你小火箭发射升空，飞行到约数百米的高度时，突然一道闪电划破长空，直击地面，发出耀眼光芒，场面颇为震撼。
事实上，这是一种叫作火箭-导线人工引雷（Rocket-and-wire triggered-lightning）的技术。
相较于自然雷电，该技术对雷电的发生时间和地点具有一定的可控性，为雷电机理研究、雷电探测以及雷电防护技术的研发与测试等提供了重要的手段。最早由Newman等人于1967年在美国利用此技术成功实现人工引雷。
我国也于20世纪70年代开始研究人工引雷技术，并于1977年首次利用土火箭人工引雷成功，1989年利用专用引雷火箭引雷成功。
地闪电流方向
今天我们就来聊聊雷电。
说起雷电，大致可分为云闪和地闪。顾名思义，云闪是云内、云与云之间的放电现象，而地闪则是云与地面间的放电现象，俗称落地雷。后者虽然仅占雷电总数的三分之一，却是雷电危害的罪魁祸首，地闪击死击伤人畜的报道时有发生。
学过中学物理的同学们应该知道，电流是有方向的，那同学们有没有想过，地闪的电流是从云到地面还是从地面到云呢？
要回答这个问题，还得从雷暴云内的电荷结构说起。
云朵之所以带电，是因为云内有各种不同尺度及不同相态的水成物粒子（霰、雹、雪花、雨滴、冰晶等）在强烈的上升气流作用下相互作用，比如离子捕获、粒子间的碰撞分离等过程，导致了不同尺度、不同表面温度的粒子携带上不同极性的电荷，在气流和重力作用下发生分离，形成正负不同极性的电荷区。
20世纪初，现代雷暴电学领域两位奠基人威尔逊（Wilson）和辛普森（Simpson），分别利用不同的探测手段，开始了对雷暴云电荷分布结构的研究。
最终他们发现典型的单体雷暴云由垂直分层的三个电荷区域构成，称为三极性电荷分布结构：下部是电荷量约+4库仑的小的正电荷区（1库仑代表1安培的稳恒电流1秒内通过导线横截面的电量），位于温度高于0℃的区域；中间是电荷量约-20库仑的主负电荷区域，位于0℃和-10℃的区域；上面是一个主正电荷区，电荷量约+24库仑，对应温度低于-10℃的区域。
虽然现代研究表明，实际云内电荷分布要复杂的多，但三极性电荷结构仍是最常用的电荷分布结构模型。
而地闪中的90%以上，就来自于主负电荷区对大地的放电。
根据我们学过的物理知识，正电荷的流动方向规定为电流的流动方向，负电荷的流动方向则与电流流向相反，同学们容易判断出来，这种类型的地闪电流方向应该是由大地流向云朵，我们称之为负地闪。
那另外10%以下的呢？
猜的没错，还有一种正地闪，它是由主正电荷区向大地放电，从而此类型的地闪电流方向是由云朵流向大地。
虽然大部分的强风暴地闪通常以负地闪为主，但那些以正地闪为主的风暴常常是产生灾害性天气现象的根源。
研究表明，以正地闪为主的风暴有更大的概率会发生龙卷风和冰雹，特别是正地闪为主的阶段持续几十分钟以上时，概率会更大。相反，那些以负地闪为主的风暴产生冰雹和龙卷风等的概率要小的多。这与极端天气下雷暴云内的电荷分布结构发生变化有关，但具体原因仍有待进一步研究。
地闪视觉方向
媒体报道中常用“从天而降”这个词来形容闪电，似乎并没有什么违和的感觉。不过，闪电这么快，你确定它一定是“从天而降”的吗？
事实上，闪电并不是多数人以为的那样，一道电光从天霹到地一蹴而就，而是有十分精细的过程和结构在里面。
我们知道空气是电的不良导体，要想在云和地之间建立导电通道可不是那么容易。以最常见的下行负地闪电为例，当正负电荷区之间的电场达到一定强度时，空气被击穿，闪电过程便由此开始。
下行负地闪过程动画
首先，一小团负电荷作为“先遣部队”在电场的指引下，沿着电阻最小路径从云中向地面进发，肩负着打通云地闪电通道的使命。在其经过的路径上，空气被电离，形成电离通道，导电能力也大大增强。
这只“先遣部队”也会疲倦，每走几微秒大概几十米的距离便会停下约50微秒进行能量补给，之后继续前进探路。这一过程由上向下呈阶梯状进行，我们称这只“先遣部队”为梯级先导（Stepped leader）。有时“先遣部队”也会兵分多路，这就形成了闪电的分支形状。
负地闪的梯级先导
当“先遣部队”（梯级先导）快接近地面时，会有“接应部队”从地面出发向上几十至上百米来迎接，它们是梯级先导头部的强电场从地面自然尖端物体上诱发的电晕放电，称为连接先导（Connecting leader）。
连接先导
当“先遣部队”与“接应部队”胜利会师之时，云地之间的闪电通道彻底被打通，地面向着这条刚刚被打通的通道猛烈的释放大量的电荷，产生的电流形成白炽耀眼的光柱，这个过程叫做回击（Return stroke）。
回击
一次先导和回击的过程构成闪电的一次脉冲放电。
一般闪电是由多次脉冲放电构成。在第一次脉冲放电之后，经过短暂休息（约40毫秒），又会发生第二次脉冲放电过程。第二个脉冲也是从先导开始，到回击结束。但由于经第一个脉冲放电后，闪电通道已经建立通畅，所以第二个脉冲的先导就不再逐级向下探路，而是从云中直接到达地面。这种先导叫做箭式先导（Dart leader）。
下行负地闪过程时间轴
之所以叫下行负地闪，是因为它由向下移动的负极性先导激发，向地面输送负电荷。
所以聪明的同学可以举一反三了，一定还有下行正地闪，上行负地闪，上行正地闪。没错，确实是这样的。
对于在高山顶上或高耸的建筑物上，有时会发生上行雷电。上行雷电的发生概率随着建筑物的高度增加而增加。一般认为低于100米的建筑主要遭受下行雷袭击，高于500米的建筑主要受上行雷电袭击。
所以“从天而降”的说法严格说来只能用于下行雷电。对于上行雷电，更准确的词应该是“腾空而起”。
上行正地闪的先导
以上就是今天要分享的有关雷电的知识。
其实人类对于雷电的研究仍然任重道远，还有许许多多的未解之谜等待探索，期待未来能有同学在此方面有所建树，帮助人类更好破解雷电的秘密，转化成造福于人类的资源。
参考资料：
[1]郄秀书张其林袁铁.雷电物理学(地学卷)(精)[M].科学出版社,2013.
[2]Cooray V.The Lightning Flash.IET Digital Library,2014.
[3]https://commons.wikimedia.org/wiki/Lightning
[4]http://www.kepu.net.cn/gb/earth/weather/thunder/index.html
[5]https://baike.baidu.com/item/闪电通道
作者 | 冯伟
封图 | baiduzhidao
来源：新东方智慧学堂
编辑：蕉