为什么闪电会从地面劈向地面?

Question

下面这张具有启发性的图片是闪电以每秒10,000帧的速度减慢。可以看到，闪电产生的最强烈的闪光发生在从地面向上的方向上。为什么最后的“地面”撞击会发生，为什么它比撞击地面的最初部分要明亮和快速得多?

Answer 1

闪电是从天上来的，还是从地上来的?

答案是两者都有。云到地的闪电来自天空，但你看到的部分来自地面。典型的云层到地面的闪光在一系列的喷射中降低了负电(我们看不见)向地面的路径。地面上的物体一般都带正电荷。由于异性相吸，一条向上的流光从将要被击中的物体发出。当这两条路径相遇时，一个回击就会被拉回天空。是回击产生了可见的闪光，但这一切都发生得太快了——大约百万分之一秒——所以人眼看不到实际形成的回击。

来源:国家强风暴实验室

原因是，当云地撞击接近地面时，地面上相反电荷的存在增强了电场的强度，“向下的先导”撞击为“回击”创造了桥梁;这详见维基上关于闪电的页面。

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云对云和云内闪电

可能还值得注意的是，云到地面并不常见Cloud to Cloud (CC)和Intra-Cloud (IC)）：

闪电放电可能发生在云层之间而不接触地面。当它发生在两个独立的云之间时，它被称为云间闪电，当它发生在一个云内电势不同的区域之间时，它被称为云内闪电。云内闪电是最常发生的类型。

Ground-to-Cloud

从地面到云层似乎是可能的，尽管通常只是人造物体产生“非自然”电势的结果，而且是最不常见的闪电类型。

Answer 2

当云层和地面之间的电位差太大时，就会发生闪电。一旦电压达到临界强度，大气就不能再充当电绝缘体了。首先，在云的底部创建了一个阶梯式前导，这是一个通道，云中的电子可以通过它传播到地面。但在向地面移动时，它会寻找最有效(最小电阻)的路径。它每次移动50-100米，然后停下来50微秒，然后再移动50-100米。在这个过程中，它也会寻找最佳路线。当踏着步子的领头者接近地面时，一个带正电的移动火花在地面上的一些高大物体(树、塔等)上启动。移动的火花向上移动，最终与台阶上的领导者连接。一旦阶梯上的领导者和移动的火花连接起来，那么来自云的电子就可以流向地面，正电荷就可以从地面流向云。这就是众所周知的回击。 But this flow unlike the flow from up has a well defined shortest route now. This massive flow of electrical current occurring during the return stroke combined with the rate at which it occurs (measured in microseconds) rapidly superheats the completed leader channel, forming a highly electrically-conductive plasma channel. The core temperature of the plasma during the return stroke may exceed 50,000 K, which makes it shine so bright.

在上面的图片中，你可以看到很多时间都浪费在寻找路线上，而回程只是通过明确的通道，因此要快得多。

Answer 3

在视频中，向下的撞击形成了一条电离路径。由于电流通过非电离的空气，所以亮度变小了。向上的冲击是电离的。当电子沿着电离路径流动时，向上撞击的电流(亮度)要大得多，因为它的电阻最小。电流等于电压除以电阻。电阻越小，电流越大。

这种明显的速度差异是因为向上的撞击路径更直接。相机显示二维图像，而不显示闪电远离或朝向相机的运动。在视频中，当你看到一个物体直接靠近或远离摄像机时，你会看到这个物体变得更大或更小。视频中的大小差异不足以显示朝向或远离摄像机的方向。

Answer 4

我很确定闪电可以朝任何方向发展。我们在物理课上做过计算，这是一个粗略的计算，但我们得出的电场是30万V/m，这是闪电形成所需的电场。

这意味着，在云层和地面之间，一个电场是通过电子在其中一个表面上的积聚而产生的。我相信电子聚集可以发生在两边。一旦电场强度足够高，电子就开始从气隙的一侧“泄漏”(空气通常不导电，除非电荷很高)，这就是闪电。你可以在电容过充时看到同样的效果，只是你在极板之间的绝缘体内部，而不是一张薄纸。这就是为什么你会听到很多噪音(当然是雷声)，看到很多光，无线通信和一些电子设备都会受到影响。

Answer 5

我不会重复其他答案中提供的内容。我唯一想补充的是我们没有看到从地到云的闪电。

从理论上讲，从地到云是可能的，因为闪电是两个有极大电压差的点之间的放电。所以这不是一个神秘的“为什么会发生”，在这里说视频，而是“这是怎么发生的”。

这是地理位置的情况吗(比如马拉开波湖还是万千闪电之湖)?是的，需要更彻底地检查，因为某些影响确实在某些地理位置更频繁地发生，需要理解的是为什么(这可能不仅仅是一个因素)。

1995年至2013年每平方公里年平均雷击图(来源:NASA)

回到这张图

请仔细看看。请注意开始时左上角的明亮闪光，它扩散成几根伸向地面的导线。在其中两名领导人到达地面之前，没有建立地面通道。从这两条路径中，其中一条具有较小的阻力，导致云和地面之间的瞬时电流路径。我认为在这种情况下，我们看到的是云到地的闪电，但有两种类型，正面和/或负面闪电在已经建立的道路上。这张照片是由一台高速或超高速相机拍摄的，每秒可拍摄10k-1m帧，我们看到的是非常缓慢的云放电运动。

此外，你应该记住的一件事是闪电不仅仅是静电放电。

这种放电可能产生范围广泛的电磁辐射，从电子快速运动产生的非常热的等离子体到以黑体辐射形式出现的明亮的可见光闪光。闪电引起雷声，雷声是放电附近气体压力突然增加时产生的冲击波发出的声音。闪电通常发生在雷暴和其他类型的高能天气系统中，但火山闪电也可能发生在火山爆发期间。维基百科

综上所述，放电本身可能产生大范围的电磁辐射。一旦云到地面的路径建立起来，大部分辐射就会产生。如果我们确实在这条道路上有正面和负面闪电的组合，那么可能会有不同的过滤后的对这种闪电(微波、红外、紫外线甚至x射线范围)的观察会更多有启发性的。

实际上，我不认为所有的辐射都来自上面写的放电本身。即使在放电之前，它也应该是静电和辐射的结合，只是在放电的那一刻被放大了。

一个比地到云的闪电更奇特的例子是球状闪电。这视频展示了一种可以被识别为球状闪电的东西。关于球状闪电如何发生的理论之一表明了这一点如果土壤中的元素可能是一个因素。

编辑

为了证明我的观点，这个光学错觉在上面的图像，我添加了另一个链接视错觉当然，在那个视频中，火车只有一条路线，但我们看到它有两条路线，在这种情况下，人类大脑找到了其他方法来确定方向。

Answer 6

它不是。

通过观察这段视频和其他云地闪电的慢动作视频，我观察到以下几点:

1. 一些低强度的“先导闪电”从云中开始，通常只在一点或最多几个点，并从该点向多个方向传播，非常像河流三角洲或树枝。

2. 传播的一般方向是向地面，但不是很强烈。这个运动最一致的特点是远离原点，但这也不是绝对的(有一些循环和向上的分支)。

3. 一旦其中一个分支接触或接近地面，在地面上的那个点和“先导闪电”的起源之间就会形成强烈的电弧。没有明确的方向，部分原因是不可避免的相机过载。

假设

先导闪电开始于不均匀电场梯度最陡的地方，接近云中电荷集中的地方。它不是在地面上启动的，因为地面传导相对较好，因此电荷消散，降低了电场强度。

导流闪电的传播受电场和反馈机制两个因素的驱动。这种反馈发生的原因是，闪电形成的等离子体走廊导电性非常好，一旦开始，就有利于传播:电子和离子被加速，并在其前面延伸走廊。显然，这其中有一个混乱的因素，可能是因为将空气转化为等离子体是一个爆炸性的过程。这种多向的爆炸性膨胀也导致了分支。

闪电大致跟随场梯度解释了大致的方向。一旦闪电开始，这种反馈就能维持闪电。热空气的爆炸性膨胀解释了它的混乱部分。

当其中一个先导闪电分支足够接近地面时，与地面的电弧就完成了，分离的电荷之间就形成了完全导电的连接，这将导致被称为闪电的失控放电。(这是一个失控的过程，因为更高的电流将更多的空气转化为等离子体，从而增加了电弧的导电性，所以电流会增加，直到电荷耗尽。)

我不认为最终的主闪电与先导闪电有不同的“方向”，我找不到观测证据即使在每秒十万帧的情况下出现瞬时主螺栓太亮了，以至于摄像头过载。

在人们的印象中，这可能是“反击”，因为它在闪电触地时就开始了，很像一个反弹事件。但我认为只是突然大量的电荷流动而一毫秒前只有少量的电荷流动，在同一个方向。