閃電閃了那麼多次 為什麼路徑是固定的？為什麼強閃光是從下往上的？

今天我家發生了雷暴…然後用iPhone慢鏡頭拍了下來，仔細看發現了幾個有意思的現象

第一個問題：為啥在短短一秒內閃了那麼多次 路徑都是一樣的？

第二個問題：

閃電消失的時候：從上往下開始變暗

但是閃電強閃光的時候：

是從下往上開始亮起來的
這是為什麼？

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8.29修改

感謝評論區漠北和童言的推薦《雷電學原理》（陳渭民）。我看了下目錄，比我參考的書籍好不少。。。

感謝楊文豪同學在評論區提的問題，（2）、（3）中流注方向問題。這個確實是我自己的理解問題。（2）中在解釋流注理論時，介紹的是正流注。而（3）實際雷電中我覺得可能是負流注。。。負流注指的是電壓較高時，電子崩不需要貫穿整個間隙，它頭部的電離程度足以形成流注，直接由陰極向陽極發展。（強行解釋一波）

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以下是正文

(文字稍微有點多，不想看的話直接拉到最後看結論吧)

(以下內容可能存在問題，將長間隙放電理論運用到雷電放電過程中不清楚是否合適，我只不過看了幾頁書，希望相關方面的大神幫忙指正O.o )

(以下內容均是對地閃、負極性閃電的解釋O.o)

首先簡單說下雷電的放電過程。

(1)
雷雲的起電機理

即雷云為啥帶電。包括溫差起電、感應起電、水滴破裂起電、對流起電等等。最終的結果是雷雲下側帶大量負電荷。(可以參考《雷電放電數值模擬與主動防護》、《防雷技術與科學》等書籍。這部分需要氣象方面的大神來講解。)

(2)
雷電的先導機制

好了，現在雷雲帶電了，就要為放電做準備。這部分我覺得可以用長間隙放電理論——湯遜理論和流注理論——來解釋。

①湯遜理論

簡單來說，陰極這兒呢由於外界某些因素作用，本來是有自由移動的電子的。(如果是極板做的電極，自由電子主要由陰極表面的光電效應產生，雷雲中的情況請參考(1)中的幾種機理。)在電場作用下，電子在電場力的作用下向陽極移動。當電場足夠強，電子積累了足夠的動能後，就會引起碰撞電離，間隙中的分子電力成正離子和電子。初始的電子和新產生的電子繼續向陽極移動，引起新的碰撞電離，產生更多的電子，電子將以幾何級數不斷增加。這也就是所謂的電子崩。實質是認為電子碰撞電離是氣體放電的主要原因。這一理論的其他過程也不多說了，因為。。。。。。。。。感覺跟雷電沒啥卵關係。

②流注理論

這一理論以湯遜理論的碰撞電離為基礎，特點是認為電子碰撞電離和空間光電離是維持自持放電的主要因素，並強調了空間電荷畸變電場的作用。

由外電離因素從陰極釋放出的電子向陽極運動，形成電子崩。隨著電子崩向前發展，其頭部的電離過程越來越強烈。當電子崩走完整個間隙後，頭部電場強度極大，加強了尾部的電場，並向四周放射出大量光子。這些光子引起了空間光電離，新形成的光電子被主電子崩頭部的正空間電荷吸引，在受到畸變加強了的電場中繼續引起新的電子崩，稱為二次電子崩。

二次電子崩向主電子崩匯合，其頭部的電子進入主電子崩頭部的正空間電荷區(主電子崩的電子大部分進入陽極了)，這裡電場強度小，因此電子大多形成負離子，大量的正負帶電質點構成了等離子體，這就是所謂的正流注。流注通道導電性好，其頭部又是二次電子崩形成的正電荷，因此流注頭部前方出現了很強的電場。同時，由於很多二次電子崩彙集的結果，流注頭部電離過程將蓬勃發展，向周圍放射出大量光子，繼續引起空間光電離。於是流注前方出現了新的二次電子崩，它們被吸引向流注的頭部，從而延長了流注的通道。這樣，流注不斷向陰極推進，隨著流注接近陰極，其頭部電場越來越強，發展也越來越快。當流注發展到陰極後，整個間隙被電導良好的等離子體通道所貫穿，於是完成間隙的擊穿。(這部分參考的是嚴璋老師的《高電壓絕緣技術》)

(3)
雷電的下行梯級先導

流注理論中，流注由陰極向陽極發展的過程可以類比到雷電由雷雲向地面發展的過程。但雷點過程中又有所不同。地閃中，梯級先導的移動並不是連續的，而是以大約50m的不連續的發光段的形式向下移動，然後停下來，繼而再向下移動50m，如此反覆。在由雲內向下延伸的先導通道中，發光的梯級頂部不是很明亮。每個發光的梯級先導持續時間大約是1μs，或者更短。當梯級先導離地面很遠時，兩個發光的梯級之間的時間間隔為50μs，而當梯級接近地面時，時間間隔會縮短到越10μs。向下發展的梯級先導的分支也是向下的。負電荷以電子的形式，幾乎連續不斷的從雲中的負電荷區向下輸送到先導通道中。在梯級先導向地面的發展過程中，底部的平均下行速度為200km/s，因此，梯級先導發展至地面僅需約20ms。當一個典型的梯級先導接近地面時，整個長度中分布大約5C的電荷。為了使先導通道內電荷穩定，整個先導過程中必須持續存在100~200A的電流。梯級先導內的脈衝電流峰值可達1000A。(這部分參考的是A.Hadded和D.Warne的《Advances in High Voltage Engineering》)

(4)
連接和回擊過程

下行的梯級先導接近地面的時候，地面的凸起物會感應出極強的電場，產生向上發展的流注，這個叫上行先導。下行先導和上行先導匯合的時候會產生明亮的光柱，電流沿著該通道由地面沖向雲中，這個叫首次回擊。回擊過程所中和的雲中電荷絕大部分已在先導放電時儲存在先導通道以及分枝中。回擊的傳播速度比梯級先導快得多，平均為5×m/s。回擊的大電流和高亮度在主通道中向上移動，主通道中各點的電子向下移動。最終，在回擊開始數毫秒之後，幾庫倫分布在通道中的電荷流入大地。如果一次回擊之後雷電停止，那麼這個叫單閃擊閃電。但是80%以上的負地閃都是多閃擊閃電，通常3到5次，時間間隔40到50ms。對於多閃擊閃電，在首次回擊發生幾十毫秒後，沿著先前的電離路徑，又會從雲中發出一條流注直奔地面，稱為箭式先導。箭式先導到達地面需要數毫秒。箭式先導不具有梯級特徵。泄放的電荷比梯級先導少，約為1/10，峰值電流也較小。當箭式先導接近地面時，地面又會發出上行先導與之匯合，形成繼後回擊。繼後回擊的峰值電流一般較低。繼後回擊電流的上升時間通常小於1μs，首次回擊電流的上升時間為若干微秒。

扯完了這些，回到問題。

第一個問題：為啥在短短一秒內閃了那麼多次路徑都是一樣的？

雷電的首次放電形成的通道為等離子體通道，導電性特別好，所以每次放電都從這兒走。

第二個問題：閃電消失的時候，從上往下開始變暗，但是閃電強閃光的時候，是從下往上開始亮起來的，這是為什麼？

這個我只能回答為啥從下向上開始亮。

雷電的下行梯級先導發展時雷雲與大地（陰極與陽極）並沒有真正導通，這一過程電流很小(相對)，所以並不明亮。當下行先導和上行先導相遇時，才會有大電流流通，產生強閃光。

至於為啥閃電消失時從上往下變暗我就不清楚了。

參考文獻：

[1] 魏光輝, 萬浩江, 潘曉東, 等. 雷電放電數值模擬與主動防護.北京：科學出版社, 2014.

[2] 嚴璋,朱德恆.高電壓與絕緣技術.中國電力出版社.

[3] A.Hadded,D.Warne. Advances in High Voltage
Engineering, 2004.

[4] 銀燕, 楊仲江等. 防雷技術與科學. 氣象出版社.

[5] 申積良,岳千鈞. 雷電的形成與發展機理. 高電壓技術,1996.

[6] 施圍,邱毓昌,張喬根.高電壓工程基礎.機械工業出版社.

[7] 魏明. 雷電電磁脈衝及其防護. 國防工業出版社, 2012.

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Vicky 的回答提供了很多基礎的概念，在他的基礎上，我提出一些解釋作為參考
1，90%的雷電過程都是多次回擊過程，通道連接兩個電荷團之後會有一個電流反擊的過程，可以理解為類似傳輸線中的阻抗不匹配反射或者其他類似的概念。舉例來說，對於一個負地閃回擊過程來說，梯級先導把負電荷帶入地面，連接地面的正電荷團之後，會產生一個電流方向垂直向上，電流波方向同樣垂直向上的反擊過程，傳導到雲內，正電流波傳到雲內末端之後，通常不會立即消失，隨著雲內末端繼續擊穿，行成K過程。之後有時會有K過程與J過程在雲內擊穿連接空間電荷團，使雲內電荷重新分布，這個過程中雲內主導的負電荷也會同時再次分布於之前建立的雲地通道內（直竄先導），一旦負電荷再次接地，會再次產生電流反擊，稱為繼後回擊。多次回擊主要是由於雲內依然有富餘的未與主通道連接的空間電荷，在雲內的電離通道分支就像是樹根一樣，雲地通道像是樹榦，每次回擊之後的k過程會把雲內樹根的部分多延伸一部分，獲得更多的電荷傳到地面，再形成一次回擊。
2，脈衝電流波在等離子體通道里傳播，明亮對應電流強度的大小，從上往下開始變暗表示是梯級先導或者直竄先導電流波波前從上往下傳播的過程。實際上回擊過程同樣有電流波從下往上傳播的表現，只是回擊速度（回擊速度1-2e8）很高，您的攝影中應該是無法辨別這個過程。

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手機的感光元件是逐行讀取信息的，可能是手機恰好讀取到下面部分時閃電開始閃光，比如你用手機拍螺旋槳會出現奇特的畫面。
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