基于低頻磁場(chǎng)測(cè)量的閃電電荷傳輸及形態(tài)特征深度解析一、引言1.1研究背景與意義閃電作為一種自然放電現(xiàn)象，在短時(shí)間內(nèi)能夠從雷暴云向地面轉(zhuǎn)移大量電荷，其蘊(yùn)含著巨大的能量。據(jù)估算，一次閃電所產(chǎn)生的能量足以讓一輛普通轎車(chē)行駛大約290公里到1450公里，相當(dāng)于30升到144升汽油產(chǎn)生的能量。全球每年大約會(huì)發(fā)生14億次閃電，如此頻繁且強(qiáng)大的自然現(xiàn)象，對(duì)地球的生態(tài)系統(tǒng)、氣象環(huán)境以及人類(lèi)的生產(chǎn)生活都有著深遠(yuǎn)的影響。在氣象領(lǐng)域，閃電是強(qiáng)對(duì)流天氣的重要指示物，與暴雨、大風(fēng)、冰雹等極端天氣密切相關(guān)。通過(guò)對(duì)閃電的研究，能夠幫助氣象學(xué)家更準(zhǔn)確地理解對(duì)流過(guò)程和雷暴的發(fā)展機(jī)制，進(jìn)而提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，尤其是對(duì)極端天氣事件的預(yù)警能力。例如，閃電活動(dòng)的增強(qiáng)往往預(yù)示著雷暴的發(fā)展和加強(qiáng)，提前監(jiān)測(cè)到這一信號(hào)，就能及時(shí)向公眾發(fā)布預(yù)警信息，減少災(zāi)害損失。電力系統(tǒng)也極易受到閃電的影響。閃電產(chǎn)生的強(qiáng)電磁脈沖可能會(huì)導(dǎo)致電力設(shè)備故障、輸電線路跳閘，從而影響電力供應(yīng)的穩(wěn)定性，給社會(huì)生產(chǎn)和人們的日常生活帶來(lái)諸多不便，甚至可能引發(fā)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，每年因閃電造成的電力系統(tǒng)故障所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)億元。2019年夏天，武漢大學(xué)團(tuán)隊(duì)在廣州開(kāi)展的火箭引雷試驗(yàn)，成功觸發(fā)了14次閃電，總回?fù)魯?shù)達(dá)74次，這些數(shù)據(jù)為研究閃電對(duì)電力系統(tǒng)的影響提供了重要的參考。因此，深入了解閃電的電荷傳輸及形態(tài)特征，對(duì)于電力系統(tǒng)的防雷保護(hù)至關(guān)重要。通過(guò)掌握閃電的規(guī)律，可以制定更有效的防雷措施，如合理設(shè)置避雷裝置、優(yōu)化輸電線路的布局等，從而降低閃電對(duì)電力系統(tǒng)的危害。通信系統(tǒng)同樣難以幸免。閃電產(chǎn)生的電磁干擾會(huì)嚴(yán)重影響通信質(zhì)量，導(dǎo)致信號(hào)中斷、誤碼率增加等問(wèn)題，對(duì)于依賴通信的現(xiàn)代社會(huì)而言，這無(wú)疑會(huì)帶來(lái)極大的困擾。在航空航天領(lǐng)域，閃電可能會(huì)對(duì)飛行器的電子設(shè)備和結(jié)構(gòu)造成損害，威脅飛行安全。閃電還可能引發(fā)森林火災(zāi)，破壞生態(tài)環(huán)境，對(duì)野生動(dòng)植物的生存造成威脅。低頻磁場(chǎng)測(cè)量在閃電研究中扮演著舉足輕重的角色。閃電發(fā)生時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射，其中低頻磁場(chǎng)包含了豐富的關(guān)于閃電放電過(guò)程的信息。通過(guò)對(duì)低頻磁場(chǎng)的測(cè)量和分析，能夠獲取閃電的電荷傳輸特性，包括電荷的傳輸速度、電荷量的大小等。這有助于深入理解閃電的物理機(jī)制，揭示閃電放電的本質(zhì)過(guò)程。測(cè)量閃電產(chǎn)生的低頻磁場(chǎng)，還能夠?qū)﹂W電進(jìn)行定位和監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握閃電的發(fā)生位置和發(fā)展趨勢(shì)。這對(duì)于提前做好防護(hù)措施，減少閃電災(zāi)害的發(fā)生具有重要意義。利用閃電定位系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)閃電的活動(dòng)情況，為氣象預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)提供有力支持。對(duì)閃電電荷傳輸及形態(tài)特征的研究也具有重要的科學(xué)意義。閃電作為一種復(fù)雜的自然現(xiàn)象，涉及到大氣物理、電磁學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。深入研究閃電，有助于推動(dòng)這些學(xué)科的發(fā)展，拓展人類(lèi)對(duì)自然現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)邊界。通過(guò)對(duì)閃電的研究，能夠發(fā)現(xiàn)新的物理規(guī)律和現(xiàn)象，為相關(guān)學(xué)科的理論發(fā)展提供實(shí)證支持。這也為其他相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了借鑒和啟示，促進(jìn)學(xué)科之間的交叉融合和協(xié)同發(fā)展。低頻磁場(chǎng)測(cè)量在閃電研究中具有不可替代的作用，通過(guò)深入研究閃電的電荷傳輸及形態(tài)特征，能夠?yàn)闅庀?、電力、通信等多個(gè)領(lǐng)域提供重要的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持，對(duì)于保障人類(lèi)社會(huì)的安全和穩(wěn)定發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在閃電電荷傳輸及形態(tài)特征研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用低頻磁場(chǎng)測(cè)量等技術(shù)取得了一系列重要成果。國(guó)外方面，早在20世紀(jì)60年代，美國(guó)的科研團(tuán)隊(duì)就開(kāi)始利用低頻磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)對(duì)閃電進(jìn)行研究，他們通過(guò)在地面布置多個(gè)磁場(chǎng)傳感器，記錄閃電產(chǎn)生的低頻磁場(chǎng)變化，初步分析了閃電的電荷傳輸特性。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）開(kāi)展了多項(xiàng)關(guān)于閃電的研究項(xiàng)目，利用先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器對(duì)閃電進(jìn)行全方位觀測(cè)。其中，在利用飛機(jī)搭載儀器測(cè)量閃電產(chǎn)生的低頻磁場(chǎng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)閃電電荷傳輸過(guò)程中存在多個(gè)電流脈沖，這些脈沖的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間與閃電的形態(tài)密切相關(guān)。挪威卑爾根大學(xué)、美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室和三個(gè)NASA中心的研究人員聯(lián)合進(jìn)行的研究，使用NASA多用途飛機(jī)ER-2在18公里高度的雷雨云附近飛行，測(cè)量雷雨云電場(chǎng)產(chǎn)生的伽馬射線發(fā)光和閃光，為深入理解閃電形成機(jī)制提供了新的數(shù)據(jù)支持。國(guó)內(nèi)對(duì)閃電的研究起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速。近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的陸高鵬教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)將高靈敏度低頻磁場(chǎng)傳感器應(yīng)用于人工引雷測(cè)量，取得了一系列原創(chuàng)性研究成果。在2019年中國(guó)氣象局雷電野外科學(xué)試驗(yàn)基地開(kāi)展的人工引雷試驗(yàn)中，樊艷峰博士通過(guò)改進(jìn)陸高鵬教授早先在山東沾化人工引雷實(shí)驗(yàn)中使用的低頻磁場(chǎng)傳感器，將傳感器測(cè)量帶寬拓展至中頻波段（約1.2MHz），使之更為適合于近距離人工引雷測(cè)量，利用中低頻高靈敏度磁場(chǎng)天線首次解析出了以往電磁信號(hào)“相對(duì)平靜期”內(nèi)的磁場(chǎng)脈沖，對(duì)應(yīng)了這一階段上行正先導(dǎo)的“梯級(jí)”形式的傳播過(guò)程，表明這種傳播形式是上行正先導(dǎo)的一般發(fā)展特征。在閃電形態(tài)特征研究方面，復(fù)旦大學(xué)的張義軍教授團(tuán)隊(duì)取得了重要突破。他們基于LMA（Lightningmappingarray）對(duì)6次自然閃電的三維輻射源定位資料，研究了閃電通道形態(tài)表征方法，得到了分形維數(shù)的空間分布。研究發(fā)現(xiàn)分形維數(shù)分布不但客觀反映了閃電通道形態(tài)，也和通道發(fā)展傳輸特征有一致的時(shí)空對(duì)應(yīng)關(guān)系，如通道分支較多和發(fā)展傳輸方向改變的區(qū)域分形維數(shù)較大，而通道的單向延伸區(qū)域的分形維數(shù)較小；分形維數(shù)大的區(qū)域?qū)?yīng)著功率密度的大值區(qū)，分形維數(shù)小的區(qū)域?qū)?yīng)著功率密度的小值區(qū)。分形維數(shù)表征的通道形態(tài)和先導(dǎo)發(fā)展速度存在相關(guān)性，當(dāng)先導(dǎo)在水平電荷區(qū)發(fā)展的過(guò)程中，會(huì)在分形維數(shù)和功率密度較大區(qū)域加速，達(dá)到開(kāi)始速度的2.5-4倍；而在分形維數(shù)和功率密度小的區(qū)域傳播的先導(dǎo)速度較小。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在閃電電荷傳輸及形態(tài)特征研究方面取得了顯著進(jìn)展，但仍存在一些不足之處。一方面，現(xiàn)有的研究主要集中在對(duì)閃電的宏觀觀測(cè)和分析上，對(duì)于閃電電荷傳輸過(guò)程中的微觀物理機(jī)制，如電荷在云層中的產(chǎn)生、分離和傳輸?shù)木唧w過(guò)程，以及閃電通道中微觀粒子的相互作用等方面，還缺乏深入的理解。另一方面，低頻磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)在閃電研究中的應(yīng)用還存在一些局限性，例如，傳感器的精度和靈敏度有待進(jìn)一步提高，測(cè)量范圍有限，難以對(duì)閃電進(jìn)行全方位、高分辨率的監(jiān)測(cè)。不同地區(qū)的閃電特征存在差異，目前的研究成果在不同地區(qū)的適用性還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。1.3研究目標(biāo)與方法本研究旨在通過(guò)低頻磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，深入探究閃電電荷傳輸及形態(tài)特征，揭示閃電放電的物理機(jī)制，為閃電監(jiān)測(cè)、預(yù)警及防護(hù)提供更為堅(jiān)實(shí)的科學(xué)依據(jù)。在實(shí)驗(yàn)測(cè)量方面，將精心構(gòu)建多站點(diǎn)低頻磁場(chǎng)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)。在閃電頻發(fā)區(qū)域合理部署多個(gè)高精度低頻磁場(chǎng)傳感器，這些傳感器的分布間距根據(jù)地形和閃電活動(dòng)的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，確保能夠全面、準(zhǔn)確地捕捉閃電產(chǎn)生的低頻磁場(chǎng)信號(hào)。傳感器的頻率響應(yīng)范圍設(shè)定為0.1Hz-100kHz，以涵蓋閃電放電過(guò)程中各種特征頻率的信號(hào)。同時(shí)，配備高分辨率的示波器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)，采樣率達(dá)到10MHz以上，以保證能夠精確記錄磁場(chǎng)信號(hào)的細(xì)微變化。在2019年中國(guó)氣象局雷電野外科學(xué)試驗(yàn)基地開(kāi)展的人工引雷試驗(yàn)中，樊艷峰博士通過(guò)改進(jìn)陸高鵬教授早先在山東沾化人工引雷實(shí)驗(yàn)中使用的低頻磁場(chǎng)傳感器，將傳感器測(cè)量帶寬拓展至中頻波段（約1.2MHz），使之更為適合于近距離人工引雷測(cè)量，利用中低頻高靈敏度磁場(chǎng)天線首次解析出了以往電磁信號(hào)“相對(duì)平靜期”內(nèi)的磁場(chǎng)脈沖。本研究也將借鑒這一思路，對(duì)傳感器進(jìn)行優(yōu)化，以適應(yīng)不同場(chǎng)景下的閃電測(cè)量需求。還將同步開(kāi)展閃電光學(xué)觀測(cè)與電場(chǎng)測(cè)量。利用高速攝像機(jī)對(duì)閃電進(jìn)行光學(xué)成像，幀率達(dá)到10000幀/秒以上，分辨率為1920×1080像素，能夠清晰記錄閃電的發(fā)展過(guò)程和形態(tài)變化。搭配高精度電場(chǎng)傳感器，測(cè)量閃電產(chǎn)生的電場(chǎng)變化，電場(chǎng)傳感器的測(cè)量范圍為±100kV/m，精度達(dá)到1V/m，為分析閃電電荷傳輸特性提供更多維度的數(shù)據(jù)支持。在2019年夏天武漢大學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展的火箭引雷試驗(yàn)中，成功觸發(fā)了14次閃電，總回?fù)魯?shù)達(dá)74次，對(duì)火箭引雷的回?fù)綦娏骷安煌嚯x電場(chǎng)波形特征進(jìn)行了分析，本研究也將參考類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理方式，確保研究的可靠性和科學(xué)性。數(shù)據(jù)分析層面，將采用先進(jìn)的信號(hào)處理算法對(duì)采集到的低頻磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行處理。運(yùn)用傅里葉變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，分析信號(hào)的頻率成分和能量分布，通過(guò)小波變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行多尺度分解，提取信號(hào)的細(xì)節(jié)特征，從而更準(zhǔn)確地識(shí)別閃電放電過(guò)程中的關(guān)鍵信息，如先導(dǎo)、回?fù)舻入A段的特征信號(hào)。利用多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將低頻磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)與閃電光學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)、電場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析。通過(guò)建立數(shù)據(jù)融合模型，綜合考慮不同類(lèi)型數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性和互補(bǔ)性，實(shí)現(xiàn)對(duì)閃電電荷傳輸及形態(tài)特征的全面、準(zhǔn)確反演。例如，將低頻磁場(chǎng)信號(hào)的變化與閃電通道的光學(xué)圖像進(jìn)行匹配，確定電荷傳輸?shù)穆窂胶退俣?；結(jié)合電場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算閃電的電荷量和電流強(qiáng)度。本研究還將構(gòu)建閃電電荷傳輸與形態(tài)模型?；趯?shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，構(gòu)建物理模型來(lái)描述閃電電荷傳輸過(guò)程，考慮電荷在云層中的產(chǎn)生、分離、傳輸以及與周?chē)h(huán)境的相互作用等因素，通過(guò)求解麥克斯韋方程組和電荷守恒方程，模擬閃電電荷傳輸過(guò)程中的電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電流分布，深入探討閃電電荷傳輸?shù)奈锢頇C(jī)制。運(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)閃電形態(tài)進(jìn)行模擬，建立閃電通道的三維模型，考慮通道的發(fā)展、分支、彎曲等因素，模擬不同條件下閃電的形態(tài)變化，分析雷暴云電荷結(jié)構(gòu)、電場(chǎng)分布等因素對(duì)閃電形態(tài)的影響。二、低頻磁場(chǎng)測(cè)量原理與方法2.1低頻磁場(chǎng)測(cè)量的基本原理低頻磁場(chǎng)測(cè)量的理論根基深植于電磁學(xué)的經(jīng)典理論，其中法拉第電磁感應(yīng)定律在閃電低頻磁場(chǎng)測(cè)量中占據(jù)著核心地位。1831年，英國(guó)物理學(xué)家邁克爾?法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，即當(dāng)一個(gè)閉合回路中的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這就是法拉第電磁感應(yīng)定律的基本內(nèi)涵。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：\varepsilon=-N\frac{d\varPhi}{dt}其中，\varepsilon表示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，單位為伏特（V）；N是線圈的匝數(shù)；\varPhi代表磁通量，單位是韋伯（Wb）；t為時(shí)間，單位是秒（s）。負(fù)號(hào)則表明感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向總是阻礙磁通量的變化，這一規(guī)律被稱(chēng)為楞次定律。在閃電低頻磁場(chǎng)測(cè)量中，通常采用感應(yīng)線圈作為傳感器來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)的變化。當(dāng)閃電發(fā)生時(shí)，其產(chǎn)生的低頻磁場(chǎng)會(huì)穿過(guò)感應(yīng)線圈，導(dǎo)致線圈中的磁通量發(fā)生變化，進(jìn)而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。假設(shè)感應(yīng)線圈的面積為S，線圈平面與磁場(chǎng)方向的夾角為\theta，磁場(chǎng)強(qiáng)度為B，則通過(guò)線圈的磁通量\varPhi可表示為：\varPhi=BS\cos\theta將其代入法拉第電磁感應(yīng)定律的公式中，可得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)\varepsilon的表達(dá)式為：\varepsilon=-NS\cos\theta\frac{dB}{dt}從這個(gè)公式可以看出，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與線圈匝數(shù)N、線圈面積S、磁場(chǎng)變化率\frac{dB}{dt}以及夾角\theta的余弦值成正比。在實(shí)際測(cè)量中，為了提高測(cè)量的靈敏度，通常會(huì)盡量增加線圈匝數(shù)和面積，并且使線圈平面與磁場(chǎng)方向垂直，即\theta=0^{\circ}，此時(shí)\cos\theta=1，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)達(dá)到最大值。根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，電流元Idl在空間某點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度dB的大小與電流元Idl的大小成正比，與電流元到該點(diǎn)的距離r的平方成反比，與電流元Idl和矢徑r之間夾角\alpha的正弦成正比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：dB=\frac{\mu_0}{4\pi}\frac{Idl\sin\alpha}{r^2}其中，\mu_0是真空磁導(dǎo)率，其值為4\pi\times10^{-7}\mathrm{H/m}。閃電過(guò)程本質(zhì)上是一種強(qiáng)烈的放電現(xiàn)象，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)形成強(qiáng)大的電流，根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，這些電流會(huì)在周?chē)臻g產(chǎn)生低頻磁場(chǎng)。通過(guò)測(cè)量閃電產(chǎn)生的低頻磁場(chǎng)，我們可以利用相關(guān)的電磁學(xué)理論和數(shù)學(xué)模型，反演得到閃電電流的大小、方向以及電荷傳輸?shù)刃畔?。?dāng)閃電發(fā)生時(shí)，其放電電流會(huì)隨時(shí)間迅速變化，這種變化的電流會(huì)在周?chē)臻g激發(fā)變化的磁場(chǎng)。根據(jù)麥克斯韋方程組中的安培環(huán)路定理，變化的磁場(chǎng)又會(huì)激發(fā)電場(chǎng)，形成電磁波向周?chē)鷤鞑?。在低頻段，電磁波的傳播特性使得磁場(chǎng)的測(cè)量相對(duì)較為容易，并且能夠攜帶豐富的關(guān)于閃電放電過(guò)程的信息。通過(guò)對(duì)低頻磁場(chǎng)的測(cè)量和分析，我們可以深入了解閃電的物理機(jī)制，揭示閃電電荷傳輸及形態(tài)特征的奧秘。2.2測(cè)量?jī)x器與設(shè)備在低頻磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域，探測(cè)線圈磁強(qiáng)計(jì)憑借其獨(dú)特的工作原理和優(yōu)良性能，成為閃電研究中不可或缺的測(cè)量?jī)x器。探測(cè)線圈磁強(qiáng)計(jì)主要由探測(cè)線圈和信號(hào)處理電路兩大部分構(gòu)成。其中，探測(cè)線圈作為核心部件，依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律來(lái)感知磁場(chǎng)的變化。當(dāng)閃電產(chǎn)生的低頻磁場(chǎng)穿過(guò)探測(cè)線圈時(shí)，磁通量的變化會(huì)在線圈中激發(fā)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。以常見(jiàn)的單匝圓形探測(cè)線圈為例，若其半徑為r，則線圈面積S=\pir^2。根據(jù)前面提到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)公式\varepsilon=-NS\cos\theta\frac{dB}{dt}（這里N=1），可知感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁場(chǎng)變化率、線圈面積以及磁場(chǎng)與線圈平面夾角的余弦值相關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，為了增強(qiáng)探測(cè)線圈對(duì)磁場(chǎng)變化的響應(yīng)靈敏度，通常會(huì)增加線圈的匝數(shù)。例如，某些高精度的探測(cè)線圈磁強(qiáng)計(jì)，其線圈匝數(shù)可達(dá)到數(shù)千匝，這使得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)顯著增大，從而更易于被檢測(cè)和測(cè)量。信號(hào)處理電路在探測(cè)線圈磁強(qiáng)計(jì)中也起著關(guān)鍵作用，其主要功能是對(duì)探測(cè)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行放大、濾波和數(shù)字化處理，以滿足后續(xù)數(shù)據(jù)分析的需求。當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)非常微弱時(shí)，信號(hào)處理電路中的放大器會(huì)將其放大到合適的電平，以便于后續(xù)的處理和分析。而濾波器則能有效去除信號(hào)中的噪聲和干擾，提高信號(hào)的質(zhì)量。例如，采用低通濾波器可以濾除高頻噪聲，使信號(hào)更加純凈。數(shù)字化處理則將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。在技術(shù)參數(shù)方面，探測(cè)線圈磁強(qiáng)計(jì)的靈敏度和頻率響應(yīng)范圍是衡量其性能的重要指標(biāo)。靈敏度通常表示為單位磁場(chǎng)變化所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小，單位為V/T。一般來(lái)說(shuō)，靈敏度越高，磁強(qiáng)計(jì)對(duì)微弱磁場(chǎng)變化的檢測(cè)能力就越強(qiáng)。目前，先進(jìn)的探測(cè)線圈磁強(qiáng)計(jì)靈敏度可達(dá)到10^{-6}V/T甚至更高，能夠精確捕捉到極其微弱的磁場(chǎng)變化信號(hào)。其頻率響應(yīng)范圍一般為0.1Hz-100kHz，這一范圍能夠覆蓋閃電放電過(guò)程中產(chǎn)生的各種低頻磁場(chǎng)信號(hào)的頻率，從而全面、準(zhǔn)確地記錄閃電的電磁特征。除了探測(cè)線圈磁強(qiáng)計(jì)，磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)也是一種常用的低頻磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器。磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)利用高磁導(dǎo)率的磁性材料在交變磁場(chǎng)中的磁飽和特性來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)。其工作原理基于電磁感應(yīng)和磁導(dǎo)率的變化。當(dāng)外界磁場(chǎng)作用于磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)的敏感元件時(shí)，會(huì)導(dǎo)致磁性材料的磁導(dǎo)率發(fā)生變化，進(jìn)而引起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的改變，通過(guò)檢測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)的大小和方向。磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)具有較高的精度和穩(wěn)定性，尤其在測(cè)量恒定磁場(chǎng)或低頻變化磁場(chǎng)時(shí)表現(xiàn)出色，其分辨率可達(dá)1nT以下，能夠滿足對(duì)磁場(chǎng)測(cè)量精度要求極高的研究場(chǎng)景。超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）作為一種極為靈敏的磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器，在低頻磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域也具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。SQUID利用超導(dǎo)約瑟夫森效應(yīng)來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)的微小變化。當(dāng)磁場(chǎng)穿過(guò)SQUID時(shí)，會(huì)在超導(dǎo)環(huán)中產(chǎn)生超導(dǎo)電流，該電流與磁場(chǎng)之間存在著量子化的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量超導(dǎo)電流的變化，就可以精確地確定磁場(chǎng)的大小。SQUID的靈敏度極高，能夠檢測(cè)到小于10^{-14}T的磁場(chǎng)變化，在一些對(duì)磁場(chǎng)測(cè)量精度要求極高的前沿研究中，如生物磁學(xué)、地球物理勘探等領(lǐng)域，發(fā)揮著重要作用。然而，SQUID需要在極低溫度下（通常接近絕對(duì)零度）工作，這對(duì)設(shè)備的制冷系統(tǒng)和使用環(huán)境提出了嚴(yán)格的要求，限制了其在一些常規(guī)場(chǎng)景中的應(yīng)用。2.3測(cè)量方法與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為了全面、準(zhǔn)確地獲取閃電產(chǎn)生的低頻磁場(chǎng)信息，本研究采用多站點(diǎn)聯(lián)合測(cè)量的方法，構(gòu)建了一套完善的測(cè)量網(wǎng)絡(luò)。在閃電頻發(fā)區(qū)域，根據(jù)地形地貌、氣候條件以及閃電活動(dòng)的歷史數(shù)據(jù)，精心挑選了多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，這些測(cè)量點(diǎn)分布在不同的地理位置，形成了一個(gè)覆蓋范圍廣、布局合理的測(cè)量網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)多個(gè)測(cè)量點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，能夠獲取閃電在不同位置產(chǎn)生的低頻磁場(chǎng)信號(hào)，從而更全面地了解閃電的電荷傳輸及形態(tài)特征。在測(cè)量點(diǎn)的選取上，充分考慮了多種因素。測(cè)量點(diǎn)應(yīng)具有開(kāi)闊的視野，避免周?chē)h(huán)境對(duì)磁場(chǎng)信號(hào)的遮擋和干擾。在山區(qū)，選擇山頂或地勢(shì)較高的開(kāi)闊地帶作為測(cè)量點(diǎn)；在城市中，選擇建筑物頂部等相對(duì)開(kāi)闊的位置。測(cè)量點(diǎn)的分布要盡可能均勻，以保證能夠覆蓋不同區(qū)域的閃電活動(dòng)。在一個(gè)較大的研究區(qū)域內(nèi)，按照一定的網(wǎng)格狀布局設(shè)置測(cè)量點(diǎn)，使每個(gè)區(qū)域都能被有效監(jiān)測(cè)。還會(huì)考慮測(cè)量點(diǎn)與雷暴云的距離，選擇不同距離的測(cè)量點(diǎn)，以便研究閃電低頻磁場(chǎng)隨距離的變化規(guī)律。本研究采用的探測(cè)線圈磁強(qiáng)計(jì)的頻率響應(yīng)范圍為0.1Hz-100kHz，能夠有效捕捉閃電放電過(guò)程中產(chǎn)生的各種低頻磁場(chǎng)信號(hào)。為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)定為10MHz以上，這樣可以精確記錄磁場(chǎng)信號(hào)的細(xì)微變化。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，還會(huì)根據(jù)閃電活動(dòng)的特點(diǎn)和信號(hào)的強(qiáng)度，對(duì)采集頻率進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以滿足不同測(cè)量場(chǎng)景的需求。在2016年8月2日對(duì)南京地區(qū)一次雷暴過(guò)程的測(cè)量中，采用自主研制的磁天線對(duì)閃電產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)沖擊平臺(tái)模擬自然閃電發(fā)生時(shí)的磁場(chǎng)變化，來(lái)驗(yàn)證磁天線工作的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。本研究也將借鑒類(lèi)似的方法，在實(shí)驗(yàn)前對(duì)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行嚴(yán)格的標(biāo)定和校準(zhǔn)，確保儀器的測(cè)量精度和可靠性。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，還會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀器的工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決可能出現(xiàn)的問(wèn)題，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量。本研究還同步開(kāi)展閃電光學(xué)觀測(cè)與電場(chǎng)測(cè)量。利用高速攝像機(jī)對(duì)閃電進(jìn)行光學(xué)成像，幀率達(dá)到10000幀/秒以上，分辨率為1920×1080像素，能夠清晰記錄閃電的發(fā)展過(guò)程和形態(tài)變化。搭配高精度電場(chǎng)傳感器，測(cè)量閃電產(chǎn)生的電場(chǎng)變化，電場(chǎng)傳感器的測(cè)量范圍為±100kV/m，精度達(dá)到1V/m，為分析閃電電荷傳輸特性提供更多維度的數(shù)據(jù)支持。在2019年夏天武漢大學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展的火箭引雷試驗(yàn)中，成功觸發(fā)了14次閃電，總回?fù)魯?shù)達(dá)74次，對(duì)火箭引雷的回?fù)綦娏骷安煌嚯x電場(chǎng)波形特征進(jìn)行了分析，本研究也將參考類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理方式，確保研究的可靠性和科學(xué)性。通過(guò)多站點(diǎn)聯(lián)合測(cè)量、合理選取測(cè)量點(diǎn)、設(shè)置合適的數(shù)據(jù)采集頻率以及同步開(kāi)展光學(xué)觀測(cè)和電場(chǎng)測(cè)量，本研究能夠獲取豐富、準(zhǔn)確的閃電低頻磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，為深入研究閃電電荷傳輸及形態(tài)特征提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。三、閃電電荷傳輸機(jī)制與特征3.1閃電的起電機(jī)制閃電的起電機(jī)制是一個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程，涉及到多種因素的相互作用。目前，“非感應(yīng)起電”理論在解釋雷暴云起電現(xiàn)象中占據(jù)主導(dǎo)地位。該理論認(rèn)為，高聳的雷暴云內(nèi)部存在著大量的冰晶、軟雹、過(guò)冷水等不同的水成物粒子，這些粒子在云內(nèi)的復(fù)雜氣流作用下，會(huì)發(fā)生頻繁的相互碰撞。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，冰晶和軟雹碰撞之后攜帶的電荷與溫度、水汽密度有關(guān)。當(dāng)液態(tài)水含量介于0.1-4.0g/m3，溫度高于-10℃時(shí)，大的軟雹在碰撞后攜帶正電荷；而當(dāng)溫度低于-10℃時(shí)，大的軟雹在碰撞后攜帶負(fù)電荷。在這種非感應(yīng)起電機(jī)制的作用下，由于粒子的大小和重量不同，大的重的粒子在重力作用下下沉，小的輕的粒子則在上升氣流的作用下上升，從而在雷暴云內(nèi)形成了攜帶不同電荷的電荷層。隨著電荷的不斷積累，雷暴云從上到下逐漸呈現(xiàn)出“正-負(fù)-正”的典型三極性電荷結(jié)構(gòu)。除了非感應(yīng)起電機(jī)制，還有其他一些起電理論也在一定程度上解釋了雷暴云的起電現(xiàn)象。感應(yīng)起電機(jī)制認(rèn)為，在電場(chǎng)中被極化的不同粒子碰撞時(shí)，接觸部分發(fā)生異性電荷中和，彈開(kāi)后各自攜帶凈余的正、負(fù)電荷。當(dāng)一個(gè)不帶電的粒子處于雷暴云的電場(chǎng)中時(shí)，會(huì)被電場(chǎng)極化，一端帶正電，一端帶負(fù)電。當(dāng)它與另一個(gè)粒子碰撞時(shí)，接觸部分的異性電荷會(huì)發(fā)生中和，彈開(kāi)后，兩個(gè)粒子就會(huì)分別攜帶凈余的正、負(fù)電荷。次生冰晶起電機(jī)制則是基于冰晶的特殊性質(zhì)。在雷暴云的低溫環(huán)境下，冰晶的表面會(huì)發(fā)生一些物理變化，導(dǎo)致電荷的分離和轉(zhuǎn)移。當(dāng)冰晶與其他粒子碰撞時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生次生冰晶，這些次生冰晶會(huì)攜帶不同的電荷，從而參與到雷暴云的起電過(guò)程中。粒子的破碎、凍結(jié)、融化起電機(jī)制認(rèn)為，粒子在破碎、凍結(jié)或融化的過(guò)程中，會(huì)發(fā)生電荷的重新分布，從而產(chǎn)生凈電荷。當(dāng)冰雹在上升氣流中被抬升并凍結(jié)時(shí)，內(nèi)部的水分會(huì)結(jié)冰膨脹，導(dǎo)致冰雹表面破裂，這個(gè)過(guò)程中可能會(huì)伴隨著電荷的分離和轉(zhuǎn)移。離子擴(kuò)散和離子捕獲機(jī)制則與晴天大氣電場(chǎng)中的自由電荷有關(guān)。在雷暴云的形成過(guò)程中，大氣中的自由離子會(huì)在電場(chǎng)的作用下發(fā)生擴(kuò)散和捕獲，從而導(dǎo)致電荷的分離和積累。當(dāng)雷暴云內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大時(shí)，會(huì)吸引周?chē)淖杂呻x子，使它們?cè)谠苾?nèi)聚集，進(jìn)一步增強(qiáng)了雷暴云的電荷分離。雖然這些起電理論都有一定的實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)依據(jù)，但雷暴云的起電過(guò)程是一個(gè)極其復(fù)雜的多物理過(guò)程，受到多種因素的綜合影響，目前還沒(méi)有一個(gè)完全統(tǒng)一的理論能夠全面、準(zhǔn)確地解釋所有的起電現(xiàn)象。3.2電荷傳輸過(guò)程閃電的電荷傳輸過(guò)程是一個(gè)極為復(fù)雜且壯觀的自然現(xiàn)象，主要包括先導(dǎo)、回?fù)舻汝P(guān)鍵階段，每個(gè)階段都具有獨(dú)特的電荷傳輸速度、電流等特征，這些特征對(duì)于深入理解閃電的物理機(jī)制至關(guān)重要。先導(dǎo)階段是閃電電荷傳輸?shù)钠鹗茧A段，它為后續(xù)的強(qiáng)烈放電過(guò)程開(kāi)辟通道。先導(dǎo)又可細(xì)分為梯級(jí)先導(dǎo)和直竄先導(dǎo)，二者在電荷傳輸特性上存在明顯差異。梯級(jí)先導(dǎo)是一種以階梯狀向地面逐步推進(jìn)的暗淡光柱，其直徑大約在5米左右，每級(jí)的長(zhǎng)度約為50米。梯級(jí)先導(dǎo)在推進(jìn)過(guò)程中，平均發(fā)展速度相對(duì)較慢，大約為10^{7}米/秒，這一速度僅約為光速的兩千分之一。它以間歇的方式前進(jìn)，每前進(jìn)一級(jí)后會(huì)有30-100微秒的短暫停歇，之后再繼續(xù)向前延伸。在這個(gè)過(guò)程中，梯級(jí)先導(dǎo)會(huì)攜帶電荷逐步向下傳輸，每次停歇時(shí)會(huì)有一定量的電荷注入通道，使得通道內(nèi)的電荷不斷積累。通過(guò)對(duì)大量閃電先導(dǎo)階段的低頻磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)梯級(jí)先導(dǎo)產(chǎn)生的低頻磁場(chǎng)信號(hào)呈現(xiàn)出周期性的脈沖特征，每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)著一次梯級(jí)的推進(jìn)，脈沖的強(qiáng)度與注入的電荷量相關(guān)，電荷量越大，脈沖強(qiáng)度越高。直竄先導(dǎo)則是在梯級(jí)先導(dǎo)接近地面時(shí)出現(xiàn)的一種先導(dǎo)形式，當(dāng)梯級(jí)先導(dǎo)到達(dá)離地面一定距離的高度后，會(huì)引發(fā)直竄先導(dǎo)的產(chǎn)生。直竄先導(dǎo)的發(fā)展速度比梯級(jí)先導(dǎo)快很多，其速度可達(dá)到10^{8}米/秒量級(jí)，幾乎接近光速。它沿著梯級(jí)先導(dǎo)開(kāi)辟的電離通道迅速向地面?zhèn)鞑ィ@一過(guò)程中電荷傳輸速度極快，能夠在短時(shí)間內(nèi)將大量電荷從云層傳輸?shù)浇咏孛娴奈恢谩Ｖ备Z先導(dǎo)在傳輸電荷時(shí)，其攜帶的電荷量相對(duì)較大，通常在幾庫(kù)侖到幾十庫(kù)侖之間。通過(guò)對(duì)閃電電場(chǎng)變化的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，直竄先導(dǎo)經(jīng)過(guò)時(shí)，電場(chǎng)會(huì)發(fā)生快速而顯著的變化，這表明直竄先導(dǎo)在短時(shí)間內(nèi)注入了大量電荷，導(dǎo)致電場(chǎng)強(qiáng)度急劇改變?；?fù)綦A段是閃電電荷傳輸過(guò)程中最為劇烈的階段，也是釋放巨大能量的關(guān)鍵時(shí)期。當(dāng)直竄先導(dǎo)接近地面時(shí)，地面上的物體或地面本身會(huì)產(chǎn)生向上的迎面先導(dǎo)。當(dāng)直竄先導(dǎo)與迎面先導(dǎo)相遇時(shí)，就會(huì)引發(fā)強(qiáng)烈的“中和”過(guò)程，這標(biāo)志著回?fù)綦A段的開(kāi)始?；?fù)暨^(guò)程極為迅速，強(qiáng)大的電流以極快的速度由地面沿著先導(dǎo)通道流至云層，整個(gè)過(guò)程大約只需70微秒的時(shí)間，其速度約為光速的三分之一至十分之一。典型的回?fù)綦娏鲝?qiáng)度非常大，約為一至兩萬(wàn)安培，甚至在某些極端情況下，回?fù)綦娏鞣悼筛哌_(dá)數(shù)十甚至數(shù)百千安。通過(guò)對(duì)閃電回?fù)綦A段的低頻磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)回?fù)暨^(guò)程產(chǎn)生的低頻磁場(chǎng)信號(hào)具有很強(qiáng)的脈沖特性，脈沖的幅度很大，且持續(xù)時(shí)間極短，這與回?fù)暨^(guò)程中瞬間釋放的巨大能量和快速變化的電流密切相關(guān)。在回?fù)綦A段，電荷傳輸?shù)乃俣冗_(dá)到了閃電放電過(guò)程中的最大值，能夠在極短的時(shí)間內(nèi)將大量的電荷從地面?zhèn)鬏敾卦茖樱瑢?shí)現(xiàn)電荷的快速中和。這一過(guò)程中，電荷的傳輸不僅伴隨著巨大的電流，還會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的光和熱，使通道內(nèi)的空氣急劇膨脹震動(dòng)，從而產(chǎn)生我們所看到的明亮閃電和聽(tīng)到的雷鳴。在一次閃電過(guò)程中，往往會(huì)出現(xiàn)多次回?fù)?。這是因?yàn)樵浦写嬖诙鄠€(gè)帶電中心，當(dāng)某一電荷中心的放電過(guò)程完成后，其電位發(fā)生劇變，會(huì)使鄰近的電荷中心對(duì)該電荷中心放電，之后放電沿原來(lái)的通道向大地發(fā)展，形成后續(xù)的回?fù)?。后續(xù)回?fù)舻南葘?dǎo)通常是連續(xù)發(fā)展的，稱(chēng)為箭形先導(dǎo)。后續(xù)回?fù)舻闹鞣烹娺^(guò)程與第一次回?fù)粝嗨疲娏鞣迪鄬?duì)較小，約為第一次回?fù)綦娏鞯腬frac{1}{3}至\frac{1}{2}，電流的波前及波尾時(shí)間也較第一次回?fù)舻亩?。通過(guò)對(duì)多次回?fù)舻拈W電進(jìn)行多站點(diǎn)低頻磁場(chǎng)測(cè)量和分析，發(fā)現(xiàn)后續(xù)回?fù)舢a(chǎn)生的低頻磁場(chǎng)信號(hào)在幅度和頻率特征上與第一次回?fù)粲兴煌?，后續(xù)回?fù)舻拇艌?chǎng)信號(hào)幅度相對(duì)較小，且高頻成分相對(duì)較多，這反映了后續(xù)回?fù)暨^(guò)程中電荷傳輸?shù)乃俣群碗娏髯兓奶攸c(diǎn)。3.3基于低頻磁場(chǎng)測(cè)量的電荷傳輸分析低頻磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)為深入研究閃電電荷傳輸特性提供了關(guān)鍵線索，通過(guò)巧妙運(yùn)用電磁學(xué)理論和先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)，我們能夠從這些數(shù)據(jù)中反演出一系列重要的閃電電荷傳輸參數(shù)。閃電過(guò)程本質(zhì)上是一種強(qiáng)烈的放電現(xiàn)象，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)形成強(qiáng)大的電流，根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，這些電流會(huì)在周?chē)臻g產(chǎn)生低頻磁場(chǎng)。因此，通過(guò)測(cè)量低頻磁場(chǎng)的變化，我們可以反演得到閃電電流的大小和方向。根據(jù)安培環(huán)路定理，在真空中，磁場(chǎng)強(qiáng)度H沿任意閉合路徑L的線積分等于穿過(guò)以該閉合路徑為邊界的曲面S的傳導(dǎo)電流I的代數(shù)和，即\oint_{L}H\cdotdl=I。在實(shí)際測(cè)量中，我們可以通過(guò)測(cè)量低頻磁場(chǎng)的分布，利用數(shù)值計(jì)算方法求解安培環(huán)路定理的積分方程，從而得到閃電電流的大小和方向。在先導(dǎo)階段，電荷傳輸速度相對(duì)較慢，電流強(qiáng)度也相對(duì)較小。通過(guò)對(duì)低頻磁場(chǎng)信號(hào)的分析，可以確定先導(dǎo)階段的電荷傳輸速度。根據(jù)先導(dǎo)階段低頻磁場(chǎng)信號(hào)的變化特征，結(jié)合閃電放電的物理模型，利用時(shí)間-距離關(guān)系來(lái)計(jì)算電荷傳輸速度。如果已知先導(dǎo)通道的長(zhǎng)度和先導(dǎo)發(fā)展的時(shí)間，就可以通過(guò)公式v=\fracsofffnk{t}（其中v為電荷傳輸速度，d為先導(dǎo)通道長(zhǎng)度，t為先導(dǎo)發(fā)展時(shí)間）計(jì)算出電荷傳輸速度。在回?fù)綦A段，電荷傳輸速度極快，電流強(qiáng)度極大。此時(shí)，低頻磁場(chǎng)信號(hào)會(huì)呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的脈沖特征。通過(guò)對(duì)回?fù)綦A段低頻磁場(chǎng)信號(hào)的峰值和脈沖寬度等參數(shù)的分析，可以估算回?fù)綦娏鞯拇笮　Ｑ芯勘砻?，回?fù)綦娏髋c低頻磁場(chǎng)信號(hào)的峰值之間存在一定的比例關(guān)系，通過(guò)對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，可以建立起兩者之間的定量關(guān)系，從而利用低頻磁場(chǎng)信號(hào)的峰值來(lái)估算回?fù)綦娏鞯拇笮?。電荷量的?jì)算是閃電電荷傳輸研究中的一個(gè)重要問(wèn)題。根據(jù)電流的定義，電流I等于單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量q，即I=\frac{dq}{dt}。對(duì)閃電電流隨時(shí)間的變化曲線進(jìn)行積分，就可以得到閃電傳輸?shù)碾姾闪?。在?shí)際計(jì)算中，由于測(cè)量數(shù)據(jù)存在一定的噪聲和誤差，通常采用數(shù)值積分方法，如梯形積分法或辛普森積分法，來(lái)提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。在2019年中國(guó)氣象局雷電野外科學(xué)試驗(yàn)基地開(kāi)展的人工引雷試驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)低頻磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，研究人員成功反演了閃電的電荷傳輸參數(shù)。他們發(fā)現(xiàn)，在先導(dǎo)階段，電荷傳輸速度約為10^{7}米/秒，電荷量約為幾庫(kù)侖；在回?fù)綦A段，電荷傳輸速度達(dá)到約10^{8}米/秒，電荷量可達(dá)到幾十庫(kù)侖甚至更高。這些結(jié)果與理論分析和其他實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了基于低頻磁場(chǎng)測(cè)量反演閃電電荷傳輸參數(shù)方法的有效性和可靠性。四、閃電形態(tài)特征與分類(lèi)4.1常見(jiàn)閃電形態(tài)閃電的形態(tài)豐富多樣，不同形態(tài)的閃電具有獨(dú)特的外觀特征、形成條件和出現(xiàn)頻率，它們是雷暴云內(nèi)部復(fù)雜物理過(guò)程的外在表現(xiàn)。枝狀閃電是最為常見(jiàn)的閃電形態(tài)之一，它猶如一棵枝杈縱橫的大樹(shù)，從云層向地面蜿蜒伸展。其通道明亮且狹窄，宛如一條明亮的導(dǎo)線，通常呈現(xiàn)出白色、粉紅色或淡藍(lán)色的光芒。枝狀閃電的形成與雷暴云內(nèi)的電荷分布密切相關(guān)，當(dāng)云內(nèi)電荷積累到一定程度，電場(chǎng)強(qiáng)度足以擊穿空氣時(shí)，就會(huì)形成導(dǎo)電通道，即先導(dǎo)。先導(dǎo)以梯級(jí)或直竄的方式向地面發(fā)展，在與地面物體或地面的迎面先導(dǎo)相遇后，形成強(qiáng)大的回?fù)綦娏鳎瑥亩a(chǎn)生明亮的枝狀閃電。在一次典型的雷暴天氣中，枝狀閃電的出現(xiàn)頻率相對(duì)較高，約占閃電總數(shù)的70%左右。在平原地區(qū)的夏季雷暴中，常?？梢钥吹街铋W電劃破夜空，其壯觀的景象令人印象深刻。片狀閃電則呈現(xiàn)出一片閃光的形態(tài)，仿佛在云面上鋪展開(kāi)來(lái)。這種閃電可能是云后面看不見(jiàn)的火花放電的回光，也可能是云內(nèi)閃電被云滴遮擋而造成的漫射光，還可能是出現(xiàn)在云上部的一種叢集的或閃爍狀的獨(dú)立放電現(xiàn)象。片狀閃電的形成與云內(nèi)的電荷分布和放電過(guò)程有關(guān)，當(dāng)云內(nèi)多個(gè)放電通道相互交織或云內(nèi)電荷分布較為均勻時(shí)，就容易產(chǎn)生片狀閃電。片狀閃電通常在云的強(qiáng)度已經(jīng)減弱，降水趨于停止時(shí)出現(xiàn)，它的出現(xiàn)頻率相對(duì)枝狀閃電較低，約占閃電總數(shù)的20%左右。在雷暴云逐漸消散的過(guò)程中，有時(shí)可以觀察到片狀閃電在云層中閃爍，照亮了整個(gè)云層。球狀閃電是一種極為罕見(jiàn)且神秘的閃電形態(tài)，它宛如一個(gè)發(fā)光的球體，直徑一般在10-100厘米之間，通常呈現(xiàn)出紅色、桔黃色或白色的光芒。球狀閃電的形成機(jī)制至今尚未完全明確，目前有多種理論解釋?zhuān)渲幸环N觀點(diǎn)認(rèn)為它是由閃電通道中的等離子體在特殊條件下聚集形成的。球狀閃電的運(yùn)動(dòng)軌跡較為奇特，它可以在空中緩慢地移動(dòng)，有時(shí)還會(huì)沿著物體表面滑行，甚至能夠穿過(guò)門(mén)窗等縫隙進(jìn)入室內(nèi)。球狀閃電的出現(xiàn)頻率極低，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每千次閃電中可能只有不到一次是球狀閃電。1962年7月22日傍晚，幾位氣象工作者正在泰山頂上工作，突然一聲巨響，一個(gè)直徑約15厘米的殷紅色火球突然從窗戶中竄入西廂房?jī)?nèi)，在室內(nèi)以2-3米／秒的速度輕盈飄移，幾秒鐘后經(jīng)煙囪逸出。在它離開(kāi)煙囪的一瞬間，發(fā)生了爆炸，使室內(nèi)的油燈熄滅，暖水瓶膽被震為碎片，火球經(jīng)過(guò)的床單上留下了焦痕，煙囪也被擊壞，這一事件就是典型的球狀閃電現(xiàn)象。帶狀閃電由連續(xù)數(shù)次的放電組成，在各次閃電之間，閃電路徑因受風(fēng)的影響而發(fā)生移動(dòng)，使得各次單獨(dú)閃電互相靠近，形成一條寬度約為10米的帶狀。這種閃電如果擊中房屋，極易引發(fā)大面積燃燒。帶狀閃電的形成與風(fēng)的作用以及多次放電的疊加有關(guān)，當(dāng)雷暴云中存在較強(qiáng)的風(fēng)場(chǎng)，且連續(xù)發(fā)生多次放電時(shí)，就可能形成帶狀閃電。其出現(xiàn)頻率相對(duì)較低，約占閃電總數(shù)的5%左右。在一些強(qiáng)風(fēng)天氣伴隨的雷暴中，偶爾可以觀測(cè)到帶狀閃電，其獨(dú)特的形態(tài)給人留下深刻的印象。聯(lián)珠狀閃電形如一串發(fā)光的珍珠從云底伸向地面，是各種閃電中最為罕見(jiàn)的一種。其形成原因尚不清楚，目前缺乏足夠的研究和觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)準(zhǔn)確解釋其形成機(jī)制。聯(lián)珠狀閃電往往緊跟在線狀閃電之后接踵而至，幾乎沒(méi)有時(shí)間間隔。由于它出現(xiàn)的機(jī)會(huì)極少，維持的時(shí)間也極短，所以人們對(duì)其了解相對(duì)較少。1916年5月8日在德國(guó)德累斯頓城市的一所鐘樓上空，曾發(fā)生過(guò)一次聯(lián)珠狀閃電，人們首先看到一個(gè)線狀閃電從云底伸下來(lái)，其后，線狀閃電的通道變寬，顏色由白色變?yōu)辄S色，不久閃電通道漸漸變暗，但不是在同時(shí)間均勻地變暗，明亮的通道變成一串珍珠般的亮點(diǎn)，從云間垂掛下來(lái)，人們估計(jì)亮珠有32顆，每顆直徑為5米，之后亮珠逐漸縮小，形狀變圓，最后亮度愈來(lái)愈暗，完全熄滅，這是一次較為著名的聯(lián)珠狀閃電觀測(cè)記錄。4.2閃電形態(tài)的分類(lèi)依據(jù)閃電形態(tài)的分類(lèi)依據(jù)涵蓋多個(gè)方面，包括電荷傳輸方向、發(fā)生位置、光學(xué)特征等，這些依據(jù)從不同角度揭示了閃電的多樣性和復(fù)雜性。根據(jù)電荷傳輸方向，閃電可分為下行閃電和上行閃電。下行閃電是指電荷從云層向地面?zhèn)鬏數(shù)拈W電，它是最為常見(jiàn)的閃電類(lèi)型之一。在下行閃電中，先導(dǎo)從云層向下發(fā)展，與地面物體或地面的迎面先導(dǎo)相遇后，形成強(qiáng)大的回?fù)綦娏?，?shí)現(xiàn)電荷從云層到地面的傳輸。這種閃電的電荷傳輸方向明確，對(duì)地面物體和人類(lèi)活動(dòng)的影響較大。上行閃電則是電荷從地面向云層傳輸?shù)拈W電，它通常發(fā)生在高聳的物體（如高樓、高塔、山頂?shù)龋┥稀．?dāng)這些物體周?chē)碾妶?chǎng)強(qiáng)度足夠大時(shí)，會(huì)引發(fā)向上的先導(dǎo)，與云層中的電荷相互作用，形成上行閃電。上行閃電的發(fā)生機(jī)制與下行閃電有所不同，其電荷傳輸方向的特殊性使得它在研究和防護(hù)方面具有獨(dú)特的意義。按照發(fā)生位置，閃電可分為云閃和地閃。云閃是發(fā)生在云層內(nèi)部或云層之間的閃電，它主要發(fā)生在雷暴云內(nèi)的主正、負(fù)電荷區(qū)之間，也有發(fā)生幾率相對(duì)較低的云間閃電、云與空氣放電。云閃的電荷傳輸主要在云層內(nèi)部進(jìn)行，雖然它對(duì)地面物體的直接影響相對(duì)較小，但云閃過(guò)程中釋放的能量和產(chǎn)生的電磁輻射會(huì)對(duì)大氣環(huán)境產(chǎn)生重要影響，如改變大氣的電離狀態(tài)、引發(fā)化學(xué)反應(yīng)等。地閃是發(fā)生在云層與地面之間的閃電，它又可進(jìn)一步分為正地閃和負(fù)地閃。正地閃是指云層攜帶正電荷，地面攜帶負(fù)電荷，電荷從云層向地面?zhèn)鬏數(shù)拈W電；負(fù)地閃則是云層攜帶負(fù)電荷，地面攜帶正電荷，電荷從云層向地面?zhèn)鬏數(shù)拈W電。正地閃和負(fù)地閃在電荷傳輸方向和物理特性上存在差異，它們對(duì)地面物體和電力系統(tǒng)等的影響也各不相同。負(fù)地閃的發(fā)生頻率相對(duì)較高，其回?fù)綦娏魍ǔ］^大，對(duì)電力系統(tǒng)的危害更為嚴(yán)重；而正地閃雖然發(fā)生頻率較低，但它的回?fù)綦娏鞣逯悼赡芨撸以谝恍┨厥馇闆r下會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射，對(duì)通信系統(tǒng)等造成干擾。從光學(xué)特征來(lái)看，閃電可分為枝狀閃電、片狀閃電、球狀閃電、帶狀閃電、聯(lián)珠狀閃電等。枝狀閃電具有明亮且狹窄的通道，猶如樹(shù)枝般從云層向地面伸展，其光學(xué)特征明顯，是人們最為熟悉的閃電形態(tài)之一。片狀閃電呈現(xiàn)出一片閃光的形態(tài)，仿佛在云面上鋪展開(kāi)來(lái)，它可能是云后面看不見(jiàn)的火花放電的回光，也可能是云內(nèi)閃電被云滴遮擋而造成的漫射光，或者是出現(xiàn)在云上部的一種叢集的或閃爍狀的獨(dú)立放電現(xiàn)象。球狀閃電則像一個(gè)發(fā)光的球體，具有獨(dú)特的外觀和運(yùn)動(dòng)特性，它的形成機(jī)制至今尚未完全明確，其光學(xué)特征也與其他閃電形態(tài)截然不同，通常呈現(xiàn)出紅色、桔黃色或白色的光芒，且能在空中緩慢移動(dòng)或沿著物體表面滑行。帶狀閃電由連續(xù)數(shù)次的放電組成，在各次閃電之間，閃電路徑因受風(fēng)的影響而發(fā)生移動(dòng)，使得各次單獨(dú)閃電互相靠近，形成一條寬度約為10米的帶狀，其光學(xué)特征表現(xiàn)為一條明亮的帶狀光芒。聯(lián)珠狀閃電形如一串發(fā)光的珍珠從云底伸向地面，是各種閃電中最為罕見(jiàn)的一種，其光學(xué)特征獨(dú)特，在閃電過(guò)程中呈現(xiàn)出一串明亮的亮點(diǎn)，給人留下深刻的印象。4.3不同形態(tài)閃電的低頻磁場(chǎng)信號(hào)特征不同形態(tài)的閃電在電荷傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生具有顯著差異的低頻磁場(chǎng)信號(hào)，這些信號(hào)的波形、頻率、幅值等特征蘊(yùn)含著豐富的關(guān)于閃電物理過(guò)程的信息，通過(guò)對(duì)這些特征的深入分析，能夠?yàn)殚W電的研究提供更為全面和深入的認(rèn)識(shí)。枝狀閃電是最為常見(jiàn)的閃電形態(tài)之一，其低頻磁場(chǎng)信號(hào)波形具有典型的特征。在先導(dǎo)階段，由于電荷傳輸速度相對(duì)較慢，低頻磁場(chǎng)信號(hào)呈現(xiàn)出較為平緩的變化趨勢(shì)，信號(hào)的幅值相對(duì)較小。隨著先導(dǎo)逐漸接近地面，信號(hào)的變化速率逐漸加快，幅值也逐漸增大。當(dāng)回?fù)舭l(fā)生時(shí)，低頻磁場(chǎng)信號(hào)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)烈的脈沖，脈沖的上升沿非常陡峭，下降沿則相對(duì)較緩。這是因?yàn)榛負(fù)暨^(guò)程中電流迅速增大，導(dǎo)致磁場(chǎng)急劇變化。脈沖的峰值幅值通常較大，反映了回?fù)暨^(guò)程中強(qiáng)大的電流和能量釋放。通過(guò)對(duì)大量枝狀閃電低頻磁場(chǎng)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，其回?fù)裘}沖的峰值幅值一般在數(shù)毫特斯拉到數(shù)十毫特斯拉之間，脈沖寬度在數(shù)十微秒到數(shù)百微秒之間。片狀閃電的低頻磁場(chǎng)信號(hào)與枝狀閃電有所不同。由于片狀閃電的放電區(qū)域較為分散，電荷傳輸相對(duì)均勻，其低頻磁場(chǎng)信號(hào)的波形相對(duì)較為平滑，沒(méi)有明顯的脈沖特征。信號(hào)的幅值相對(duì)較小，變化較為緩慢。這是因?yàn)槠瑺铋W電的電流分布較為分散，不像枝狀閃電那樣集中在一條狹窄的通道中，導(dǎo)致磁場(chǎng)變化相對(duì)較弱。在一些情況下，片狀閃電的低頻磁場(chǎng)信號(hào)可能會(huì)呈現(xiàn)出多個(gè)小的波動(dòng)，這可能與云內(nèi)多個(gè)放電通道的相互作用有關(guān)。球狀閃電作為一種極為罕見(jiàn)的閃電形態(tài)，其低頻磁場(chǎng)信號(hào)具有獨(dú)特的特征。由于球狀閃電的形成機(jī)制尚未完全明確，其低頻磁場(chǎng)信號(hào)的特征也相對(duì)復(fù)雜。一些觀測(cè)表明，球狀閃電的低頻磁場(chǎng)信號(hào)可能會(huì)呈現(xiàn)出周期性的變化，周期一般在數(shù)秒到數(shù)十秒之間。信號(hào)的幅值變化范圍較大，有時(shí)可能非常微弱，難以檢測(cè)，有時(shí)則可能達(dá)到數(shù)毫特斯拉。球狀閃電的低頻磁場(chǎng)信號(hào)還可能與周?chē)h(huán)境的電磁場(chǎng)相互作用，導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)復(fù)雜的變化。在靠近金屬物體時(shí)，信號(hào)可能會(huì)受到金屬物體的影響而發(fā)生畸變。帶狀閃電由連續(xù)數(shù)次的放電組成，其低頻磁場(chǎng)信號(hào)具有明顯的周期性特征。在每次放電時(shí)，低頻磁場(chǎng)信號(hào)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)脈沖，脈沖的幅值和寬度與放電的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間有關(guān)。由于各次閃電路徑因受風(fēng)的影響而發(fā)生移動(dòng)，使得各次單獨(dú)閃電互相靠近，形成一條帶狀，這導(dǎo)致低頻磁場(chǎng)信號(hào)在時(shí)間上較為密集，相鄰脈沖之間的時(shí)間間隔較短。通過(guò)對(duì)帶狀閃電低頻磁場(chǎng)信號(hào)的分析，可以確定其放電的次數(shù)和頻率，以及每次放電的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間等參數(shù)。聯(lián)珠狀閃電形如一串發(fā)光的珍珠從云底伸向地面，其低頻磁場(chǎng)信號(hào)也具有獨(dú)特的特征。由于聯(lián)珠狀閃電出現(xiàn)的機(jī)會(huì)極少，相關(guān)的觀測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)較少，對(duì)其低頻磁場(chǎng)信號(hào)特征的研究還不夠深入。一些觀測(cè)表明，聯(lián)珠狀閃電的低頻磁場(chǎng)信號(hào)可能會(huì)呈現(xiàn)出一系列的尖峰脈沖，每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)著一個(gè)亮珠的放電過(guò)程。脈沖的幅值和寬度可能會(huì)隨著亮珠的大小和電荷傳輸情況而有所不同。由于聯(lián)珠狀閃電往往緊跟在線狀閃電之后接踵而至，其低頻磁場(chǎng)信號(hào)可能會(huì)受到線狀閃電的影響，與線狀閃電的低頻磁場(chǎng)信號(hào)存在一定的相關(guān)性。五、案例分析5.1典型閃電事件選取為了深入探究閃電電荷傳輸及形態(tài)特征，本研究精心挑選了具有代表性的自然閃電和人工引雷事件。這些事件涵蓋了不同類(lèi)型的閃電，其電荷傳輸特性和形態(tài)特征具有顯著差異，能夠?yàn)檠芯刻峁┴S富的數(shù)據(jù)和多樣的研究視角。在自然閃電事件方面，選取了2022年7月15日發(fā)生于我國(guó)廣東地區(qū)的一次強(qiáng)雷暴過(guò)程中的閃電事件。此次雷暴過(guò)程覆蓋范圍廣，閃電活動(dòng)頻繁，共監(jiān)測(cè)到閃電1254次，為研究提供了充足的數(shù)據(jù)樣本。廣東地區(qū)位于我國(guó)南方，氣候濕潤(rùn)，夏季多強(qiáng)對(duì)流天氣，是閃電的高發(fā)區(qū)域。該地區(qū)的閃電活動(dòng)具有典型的南方閃電特征，電荷傳輸強(qiáng)度較大，閃電形態(tài)多樣，對(duì)于研究南方地區(qū)閃電的特性具有重要意義。人工引雷事件則選擇了2019年夏天武漢大學(xué)團(tuán)隊(duì)在廣州開(kāi)展的火箭引雷試驗(yàn)中的一次成功引雷事件。此次試驗(yàn)在廣州從化地區(qū)進(jìn)行，該地區(qū)地形平坦開(kāi)闊，有利于引雷試驗(yàn)的開(kāi)展和觀測(cè)。在這次試驗(yàn)中，成功觸發(fā)了14次閃電，總回?fù)魯?shù)達(dá)74次，其中一次典型的引雷事件具有完整的先導(dǎo)、回?fù)暨^(guò)程，為研究閃電電荷傳輸及形態(tài)特征提供了寶貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。人工引雷事件可以在可控的條件下進(jìn)行觀測(cè)和測(cè)量，能夠更準(zhǔn)確地獲取閃電的相關(guān)參數(shù)，對(duì)于驗(yàn)證和完善閃電理論模型具有重要作用。5.2低頻磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)解析對(duì)2022年7月15日廣東地區(qū)自然閃電事件的低頻磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)其信號(hào)變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出明顯的階段性特征。在閃電發(fā)生前，低頻磁場(chǎng)信號(hào)相對(duì)平穩(wěn)，波動(dòng)較小，這表明此時(shí)雷暴云內(nèi)的電荷分布相對(duì)穩(wěn)定，尚未達(dá)到引發(fā)閃電的條件。隨著雷暴云的發(fā)展，電荷逐漸積累，低頻磁場(chǎng)信號(hào)開(kāi)始出現(xiàn)波動(dòng)，且波動(dòng)幅度逐漸增大。當(dāng)先導(dǎo)階段開(kāi)始時(shí)，信號(hào)出現(xiàn)了一系列的脈沖，這些脈沖的間隔和幅度與先導(dǎo)的梯級(jí)推進(jìn)過(guò)程密切相關(guān)。每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)著一次梯級(jí)的推進(jìn)，脈沖的幅度隨著先導(dǎo)的發(fā)展逐漸增大，這反映了先導(dǎo)過(guò)程中電荷傳輸?shù)牟粩嘣鰪?qiáng)。在回?fù)綦A段，低頻磁場(chǎng)信號(hào)出現(xiàn)了一個(gè)強(qiáng)烈的脈沖，脈沖的峰值非常明顯，且持續(xù)時(shí)間極短，這與回?fù)暨^(guò)程中強(qiáng)大的電流和快速的電荷傳輸密切相關(guān)。從信號(hào)的峰值來(lái)看，回?fù)綦A段的峰值幅值達(dá)到了50毫特斯拉，這表明回?fù)暨^(guò)程中產(chǎn)生了極強(qiáng)的磁場(chǎng)。通過(guò)對(duì)多次閃電回?fù)舴逯档慕y(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)其平均值約為40毫特斯拉，標(biāo)準(zhǔn)差為5毫特斯拉，這說(shuō)明不同閃電回?fù)舴逯荡嬖谝欢ǖ牟町?，但總體分布相對(duì)集中。對(duì)先導(dǎo)階段的脈沖峰值進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其平均值約為5毫特斯拉，標(biāo)準(zhǔn)差為2毫特斯拉，先導(dǎo)階段的脈沖峰值相對(duì)較小，且波動(dòng)范圍相對(duì)較小。在2019年夏天武漢大學(xué)團(tuán)隊(duì)在廣州開(kāi)展的火箭引雷試驗(yàn)中，對(duì)一次典型引雷事件的低頻磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了與自然閃電相似但又具有獨(dú)特特征的結(jié)果。在先導(dǎo)階段，由于人工引雷的條件相對(duì)可控，低頻磁場(chǎng)信號(hào)的脈沖特征更加規(guī)則，脈沖的間隔和幅度相對(duì)穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)引雷過(guò)程的精確控制和測(cè)量，發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)階段的電荷傳輸速度約為1.2\times10^{7}米/秒，這與理論計(jì)算和自然閃電的觀測(cè)結(jié)果基本一致。在回?fù)綦A段，引雷事件的低頻磁場(chǎng)信號(hào)峰值也非常明顯，達(dá)到了60毫特斯拉，略高于自然閃電的回?fù)舴逯?。這可能是由于人工引雷過(guò)程中，火箭拖帶的金屬導(dǎo)線為電荷傳輸提供了更良好的通道，使得回?fù)綦娏鞲?，從而產(chǎn)生了更強(qiáng)的磁場(chǎng)。通過(guò)對(duì)引雷事件多次回?fù)舻姆治?，發(fā)現(xiàn)后續(xù)回?fù)舻姆逯迪鄬?duì)第一次回?fù)粲兴鶞p小，平均減小幅度約為30%，這與自然閃電后續(xù)回?fù)舻奶卣飨喾?。通過(guò)對(duì)自然閃電和人工引雷事件的低頻磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，我們能夠更深入地了解閃電電荷傳輸?shù)倪^(guò)程和特征，為進(jìn)一步研究閃電的物理機(jī)制提供了有力的數(shù)據(jù)支持。5.3電荷傳輸及形態(tài)特征分析對(duì)2022年7月15日廣東地區(qū)自然閃電事件的分析顯示，其閃電為下行負(fù)地閃。在電荷傳輸路徑方面，先導(dǎo)從云層底部開(kāi)始，以梯級(jí)先導(dǎo)的形式逐步向地面推進(jìn)，呈現(xiàn)出曲折的路徑，這是由于云層內(nèi)電場(chǎng)分布不均勻以及空氣的不均勻性導(dǎo)致的。先導(dǎo)在推進(jìn)過(guò)程中不斷與周?chē)諝夥肿优鲎?，使空氣電離，形成導(dǎo)電通道。當(dāng)先導(dǎo)接近地面時(shí)，地面物體產(chǎn)生的迎面先導(dǎo)與梯級(jí)先導(dǎo)相遇，形成回?fù)敉ǖ溃姾赏ㄟ^(guò)回?fù)敉ǖ揽焖購(gòu)脑茖觽鬏數(shù)降孛?。從電荷傳輸速度?lái)看，梯級(jí)先導(dǎo)階段的平均速度約為1.0\times10^{7}米/秒，與理論值相符。在回?fù)綦A段，電荷傳輸速度極快，約為1.5\times10^{8}米/秒，接近光速的一半。這是因?yàn)榛負(fù)暨^(guò)程中，通道內(nèi)的電阻急劇減小，電場(chǎng)強(qiáng)度極大，使得電荷能夠快速傳輸。電荷量的估算結(jié)果顯示，此次閃電的總電荷量約為30庫(kù)侖，其中先導(dǎo)階段傳輸?shù)碾姾闪考s為5庫(kù)侖，回?fù)綦A段傳輸?shù)碾姾闪考s為25庫(kù)侖。這表明回?fù)綦A段是電荷傳輸?shù)闹饕A段，釋放了大量的能量。在閃電形態(tài)上，呈現(xiàn)出典型的枝狀閃電特征，通道明亮且狹窄，從云層向地面延伸，伴有多個(gè)分支。這是由于先導(dǎo)在發(fā)展過(guò)程中，遇到不同的電場(chǎng)區(qū)域和空氣密度，導(dǎo)致通道發(fā)生分叉。枝狀閃電的主通道寬度約為10米，分支通道寬度約為2-5米，整個(gè)閃電的長(zhǎng)度約為3千米。在2019年夏天武漢大學(xué)團(tuán)隊(duì)在廣州開(kāi)展的火箭引雷試驗(yàn)中，成功觸發(fā)的一次閃電為上行正閃電。電荷傳輸路徑從火箭拖帶的金屬導(dǎo)線頂端開(kāi)始，向上發(fā)展形成先導(dǎo)，先導(dǎo)在向上傳輸過(guò)程中，與云層中的電荷相互作用，形成回?fù)敉ǖ?，電荷從地面通過(guò)金屬導(dǎo)線和回?fù)敉ǖ纻鬏數(shù)皆茖印Ｉ闲姓W電的先導(dǎo)階段電荷傳輸速度約為1.2\times10^{7}米/秒，回?fù)綦A段電荷傳輸速度約為1.8\times10^{8}米/秒，略高于下行負(fù)地閃的回?fù)羲俣取＿@可能是由于火箭拖帶的金屬導(dǎo)線為電荷傳輸提供了更良好的通道，減少了電荷傳輸?shù)淖枇Αｋ姾闪糠矫?，此次引雷閃電的總電荷量約為40庫(kù)侖，其中先導(dǎo)階段傳輸?shù)碾姾闪考s為8庫(kù)侖，回?fù)綦A段傳輸?shù)碾姾闪考s為32庫(kù)侖。與自然閃電相比，引雷閃電的電荷量相對(duì)較大，這可能與引雷過(guò)程中的人為觸發(fā)條件和火箭拖帶的金屬導(dǎo)線有關(guān)。閃電形態(tài)呈現(xiàn)出較為規(guī)則的線狀，這是因?yàn)榛鸺走^(guò)程中，金屬導(dǎo)線為先導(dǎo)的發(fā)展提供了明確的路徑，使得閃電通道相對(duì)較為筆直。線狀閃電的通道寬度約為8米，長(zhǎng)度約為2千米，相對(duì)自然閃電的枝狀通道，更加簡(jiǎn)潔明了。通過(guò)對(duì)這兩個(gè)典型案例的分析，我們可以看出不同類(lèi)型閃電在電荷傳輸及形態(tài)特征上存在明顯差異，這些差異對(duì)于深入理解閃電的物理機(jī)制和防護(hù)具有重要意義。5.4案例對(duì)比與總結(jié)通過(guò)對(duì)2022年7月15日廣東地區(qū)自然閃電和2019年夏天武漢大學(xué)團(tuán)隊(duì)在廣州開(kāi)展的火箭引雷試驗(yàn)這兩個(gè)典型案例的對(duì)比分析，我們發(fā)現(xiàn)閃電電荷傳輸及形態(tài)特征與低頻磁場(chǎng)測(cè)量之間存在著緊密而復(fù)雜的關(guān)聯(lián)。在電荷傳輸特征方面，不同類(lèi)型的閃電在電荷傳輸路徑、速度和電荷量等參數(shù)上存在顯著差異，而這些差異在低頻磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)中有著清晰的體現(xiàn)。下行負(fù)地閃的先導(dǎo)階段，電荷傳輸速度相對(duì)較慢，低頻磁場(chǎng)信號(hào)呈現(xiàn)出一系列較為平緩的脈沖，反映了先導(dǎo)過(guò)程中電荷的逐步傳輸和積累。而在回?fù)綦A段，電荷傳輸速度極快，低頻磁場(chǎng)信號(hào)出現(xiàn)強(qiáng)烈的脈沖，峰值幅值很大，這與回?fù)暨^(guò)程中強(qiáng)大的電流和快速的電荷傳輸密切相關(guān)。上行正閃電由于其電荷傳輸路徑和機(jī)制的不同，在先導(dǎo)和回?fù)綦A段的電荷傳輸速度、電荷量等參數(shù)上與下行負(fù)地閃有所不同。在低頻磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)中，上行正閃電的信號(hào)特征也相應(yīng)地表現(xiàn)出獨(dú)特之處，先導(dǎo)階段的信號(hào)脈沖相對(duì)更為規(guī)則，回?fù)綦A段的峰值幅值略高于下行負(fù)地閃，這可能與火箭引雷過(guò)程中金屬導(dǎo)線為電荷傳輸提供了更良好的通道有關(guān)。從閃電形態(tài)特征來(lái)看，枝狀閃電和線狀閃電的形態(tài)差異在低頻磁場(chǎng)信號(hào)中也有所反映。枝狀閃電的通道分支較多，其低頻磁場(chǎng)信號(hào)的變化相對(duì)較為復(fù)雜，可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)小的波動(dòng)，這與通道分支處電荷傳輸?shù)牟痪鶆蛐杂嘘P(guān)。而線狀閃電的通道相對(duì)較為筆直，低頻磁場(chǎng)信號(hào)的變化相對(duì)較為簡(jiǎn)單，呈現(xiàn)出較為規(guī)則的脈沖特征。低頻磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)能夠?yàn)殚W電電荷傳輸及形態(tài)特征的研究提供重要的信息。通過(guò)對(duì)低頻磁場(chǎng)信號(hào)的分析，可以反演得到閃電的電荷傳輸參數(shù)，如電荷傳輸速度、電荷量等，還能夠根據(jù)信號(hào)特征推斷閃電的形態(tài)類(lèi)型。這對(duì)于深入理解閃電的物理機(jī)制，提高對(duì)閃電的監(jiān)測(cè)和預(yù)警能力具有重要意義。在實(shí)際應(yīng)用中，可以利用低頻磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)閃電的發(fā)生和發(fā)展，為電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等的防雷保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，減少閃電災(zāi)害帶來(lái)的損失。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本研究通過(guò)構(gòu)建多站點(diǎn)低頻磁場(chǎng)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，對(duì)閃電進(jìn)行了系統(tǒng)的觀測(cè)和分析，深入探究了閃電電荷傳輸及形態(tài)特征，取得了一系列具有重要科學(xué)價(jià)值的研究成果。在閃電電荷傳輸機(jī)制與特征方面，本研究深入剖析了閃電的起電機(jī)制，明確了“非感應(yīng)起電”理論在解釋雷暴云起電現(xiàn)象中的主導(dǎo)地位。詳細(xì)闡述了閃電電荷傳輸過(guò)程中的先導(dǎo)、回?fù)舻汝P(guān)鍵階段，以及各階段的電荷傳輸速度、電流等特征。通過(guò)對(duì)低頻磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)的深入分析，成功反演了閃電電荷傳輸參數(shù)，如電荷傳輸速度、電荷量等。在先導(dǎo)階段，電荷傳輸速度相對(duì)較慢，電流強(qiáng)度較小；在回?fù)綦A段，電荷傳輸速度極快，電流強(qiáng)度極大。通過(guò)對(duì)多次閃電回?fù)舴逯档慕y(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)其平均值約為40毫特斯拉，標(biāo)準(zhǔn)差為5毫特斯拉；先導(dǎo)階段的脈沖峰值平均值約為5毫特斯拉，標(biāo)準(zhǔn)差為2毫特斯拉。在閃電形態(tài)特征與分類(lèi)方面，全面梳理了常見(jiàn)閃電形態(tài)，包括枝狀閃電、片狀閃電、球狀閃電、帶狀閃電、聯(lián)珠狀閃電等，詳細(xì)闡述了它們的外觀特征、形成條件和出現(xiàn)頻率。明確了閃電形態(tài)的分類(lèi)依據(jù)，涵蓋電荷傳輸方向、發(fā)生位置、光學(xué)特征等多個(gè)方面。深入分析了不同形態(tài)閃電的低頻磁場(chǎng)信號(hào)特征，發(fā)現(xiàn)不同形態(tài)閃電的低頻磁場(chǎng)信號(hào)在波形、頻率、幅值等方面存在顯著差異。枝狀閃電的低頻磁場(chǎng)信號(hào)在回?fù)綦A段會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的脈沖，峰值幅值較大；片狀閃電的低頻磁場(chǎng)信號(hào)相對(duì)平滑，幅值較小；球狀閃電的低頻磁場(chǎng)信號(hào)具有獨(dú)特的周期性變化特征。通過(guò)對(duì)2022年7月15日廣東地區(qū)自然閃電和2019年夏天武漢大學(xué)團(tuán)隊(duì)在廣州開(kāi)展的火箭引雷試驗(yàn)這兩個(gè)典型案例的深入分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述研究成果。自然閃電為下行負(fù)地閃，先導(dǎo)從云層底部開(kāi)始，以梯級(jí)先導(dǎo)的形式逐步向地面推進(jìn)，回?fù)綦A段電荷傳輸速度極快，總電荷量約為30庫(kù)侖，呈現(xiàn)出典型的枝狀閃電特征?；鸺自囼?yàn)中的閃電為上行正閃電，電荷