《Atmospheric Research》：Multi-frequency signatures of space-leader evolution in negative cloud-to-ground lightning stepped leaders
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空间领袖特性与回击电流关联性研究。采用400k-783k fps超高帧率摄像机和电磁场测量，分析18次负云地闪电中364个空间领袖的传播速度（4.3e5 m/s）、长度（中位数8.2 m）及反向传播速度（4.0e6 m/s）。发现空间领袖特征主要受回击峰值电流影响，与 inception altitude相关性较弱，且VHF发射脉冲早于电场步脉冲0.5-1 μs。
Dylan J. Goldberg | Amitabh Nag | Kenneth L. Cummins | Mathieu N. Plaisir | Alex Tempert | A. Tyler Brower | Christopher J. Biagi | Robert G. Brown | Hamid K. Rassoul
美国佛罗里达州墨尔本市的佛罗里达理工学院
摘要
在这项研究中，我们观察了18次负极性云对地闪电中的364个空间先导（space leader），这些先导通过形成新的通道最终到达地面。所有闪电过程都由超高速摄像机捕捉到，摄像机的帧率范围从40万帧/秒到78.3万帧/秒不等。此外，其中一部分闪电还进行了宽带电磁场测量。空间先导从形成点到附着点的平均长度以及向现有先导通道逆向传播的平均速度分别为8.2米和4.0×10^6米/秒。具有更高峰值电流的回击闪电中，空间先导的长度更长，逆向传播速度也更快。这可能是由于空间先导的形成点与现有先导通道（PELC）相对较近，导致PELC线电荷密度产生的电场成为决定空间先导特性的主要因素之一。空间先导的特性与其形成高度之间的关系较弱。我们观察到，在电场先导的阶梯脉冲之前大约0.5至1微秒内，会出现极高频率（VHF）的辐射爆发，而在阶梯脉冲期间则会出现可见光范围内的亮度脉冲。所有18次闪电中，向下传播的先导平均速度为4.3×10^5米/秒；峰值电流较高的回击闪电中，先导的传播速度通常更快。此外，在峰值电流分别为10至60千安和84至228千安的闪电中，先导在距离地面200米以下和1000米以下的区域似乎会加速。
引言
空间先导（SpcL）是一种在高电场区域形成的发光等离子体段，通常位于负极性闪电阶梯先导的附近（通常在几十米范围内）。对于那些附着在现有先导通道（PELC）上的空间先导，附着可能发生在PELC的尖端或其侧面，从而导致新分支的形成（Khounate等人，2021年；Goldberg等人，2024年）。图1展示了一个负极性云对地闪电中空间先导从形成到附着的演变过程。大多数空间先导附着在PELC的尖端或侧面上，但有些则在没有附着的情况下直接消失。详细研究空间先导的特性对于理解自然闪电中阶梯先导的形成和传播机制至关重要。
在过去十年左右的时间里，文献中报道了关于触发闪电和自然闪电中空间先导的观测结果，如表1所示。需要注意的是，“空间先导”和“空间茎”这两个术语有时可以互换使用。可能只有当通道变得可见发光时，空间先导才会发展成空间先导，这表明发生了显著的热化过程。目前尚不清楚自然闪电中的空间先导是否足够明亮，能够被可见光范围内的摄像机捕捉到。Biagi等人（2009年、2010年）报告了在触发闪电中观察到的分离发光段，他们认为这些是空间先导或空间茎。Hill等人（2011年）以30万帧/秒的帧率记录了一个自然闪电阶梯先导的八个分支，平均发光段长度为3.9米，位于PELC前方约2米处。Petersen和Beasley（2013年）使用高速摄像机（10千帧/秒）观察了一个自然负极性闪电阶梯先导及其随后的负极性 dart-阶梯先导，他们观察到长度在1至5米之间的高亮度段，并将其解释为空间先导。同样，Biagi等人（2014年）使用高速摄像机（10.8万帧/秒）观察了一个触发产生的负极性阶梯先导中的八个发光段，长度在1至6米之间，这些发光段位于主负极性先导通道距离3至8米的位置。Tran等人（2014年）观察到一个不寻常的自然闪电现象，其中有两个分支的负极性闪电同时发生，且在第一个闪电下降之前观察到了两个空间先导，估计阶梯长度为14至15米。Nag和Rakov（2016年）展示了空间先导的形成及其附着到PELC的概念图，并预测先导特性会受到主负极性云电荷区域与地面之间不同增强和减弱电场区域的影响。Qi等人（2016年）报告了对自然负极性阶梯先导的同步电磁场和高速摄像机观测结果，他们发现了九个与先导阶梯相关的场脉冲，并捕捉到了23个空间先导或空间茎，其二维长度范围为1至13米，算术平均长度为5米。这些空间先导与PELC的距离范围为1至8米，算术平均值为4米。Jiang等人（2017年）使用18万帧/秒的摄像机帧率记录了两个负极性阶梯先导中的空间先导特性，发现阶梯长度范围为1.3至8.6米，几何平均长度为4.4米。此外，空间先导中心与PELC的距离范围为2.1至6.9米，几何平均值为3.6米。Srivastava等人（2019年）研究了附着在325米高塔上的一个负极性阶梯先导中的34个空间先导，阶梯长度范围为1至9米，算术平均长度为4.0米。Qi等人（2019年）使用2万帧/秒和52.5万帧/秒的高速摄像机观察了一个负极性阶梯先导的47个阶梯，发现阶梯长度范围为2至5.9米，几何平均长度为3米。最后，Khounate等人（2021年）使用1.8微秒、1.0微秒和0.74微秒的超高速摄像机测量了三个负极性阶梯先导中的空间先导特性，分别得到空间先导的平均长度为6.1米、16.6米和17.6米。他们发现，在峰值电流较高的回击闪电中，空间先导的平均长度和从形成点到附着点的距离更长。他们推测，峰值电流较高的回击闪电中较高的阶梯先导线电荷密度影响了空间先导的特性。
在这项研究中，我们分析了18次负极性云对地闪电中发生的364个空间先导的时空演变过程，这些空间先导形成了新的通道到达地面；这是迄今为止分析的最大规模的空间先导数据集。美国国家闪电检测网络（NLDN）估计的这18次闪电的峰值电流范围为10至228千安。这些闪电过程是通过时间同步的超高速摄像机和电磁场测量设备观测到的。我们研究了空间先导的形成高度（AGL）和回击闪电峰值电流对空间先导特性的影响。
测量系统、数据和方法
在这项研究中，我们使用了两个测量站的数据：位于肯尼迪航天中心（KSC）的工业区塔（IAT）（Nag等人，2021年、2023a年；Plaisir等人，2023年）和位于佛罗里达理工学院校园内的墨尔本闪电观测站（MLO）（Khounate等人，2021年；Nag等人，2023b年）。这两个测量站都配备了电场、电场导数（dE/dt）、磁场导数（dB/dt）和VHF测量系统。
空间先导的摄像机衍生特性
我们确定了数据集中18次闪电中所有364个空间先导的形成点相对于PELC的二维位置。图2a显示了每个空间先导的形成点，这些空间先导后来附着在PELC的尖端（红点）或侧面（绿点），或者保持未附着状态（蓝点）。图中的黑线表示与每个观察到的空间先导相关联的PELC的对齐参考线，其尖端位于极坐标图的中心。
讨论
我们没有观察到空间先导在附着到PELC之前有任何明显的双向传播现象；只有空间先导的正电荷端（靠近PELC尖端的部分）向负电荷的PELC尖端传播，而空间先导的负电荷端（相对于PELC尖端的远端）基本保持在同一位置。需要注意的是，在图1和图10a中，我们观察到一旦空间先导附着在PELC上……
总结
我们使用MLO和KSC IAT测量站的高速摄像机记录了18次负极性云对地闪电中的364个空间先导（其中326个附着在PELC上）的特性。空间先导从形成点到附着点的平均长度和逆向传播的平均速度分别为8.2米和4.0×10^6米/秒。空间先导的特性似乎主要取决于回击闪电的峰值电流，而与形成高度的相关性较弱。这可能是由于空间先导的形成点与现有先导通道相对较近……
CRediT作者贡献声明
Dylan J. Goldberg： 可视化、验证、方法论、研究、数据分析、写作——审阅与编辑、初稿撰写。Amitabh Nag： 验证、监督、项目管理、方法论、研究、数据分析、概念化、写作——审阅与编辑、初稿撰写。Kenneth L. Cummins： 验证、监督、方法论、研究、数据分析、写作——审阅与编辑、初稿撰写。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢
美国国家科学基金会 的资助（奖项编号：1934066）。作者还要感谢Vaisala公司提供美国NLDN数据。MLO和KSC IAT的数据可通过联系A. Nag（
anag@fit.edu
