Upward electrical dischargesfrom th

Upward electrical discharges
from thunderstorms
PAUL R. KREHBIEL
1
*
, JEREMY A. RIOUSSET
2
*
, VICTOR P. PASKO
2
, RONALD J. THOMAS
3
,
WILLIAM RISON
3
, MARK A. STANLEY
4
AND HARALD E. EDENS
1
1
Physics Department, New Mexico Tech, Socorro, New Mexico 87801, USA
2
CSSL Laboratory, Penn State University, University Park, Pennsylvania 16802, USA
3
Electrical Engineering Department, New Mexico Tech, Socorro, New Mexico 87801, USA
4
114 Mesa Verde Road, Jemez Springs, New Mexico 87025, USA
*
e-mail:
[e-mail]
;
[e-mail]
Published online: 23 March 2008; doi:
10.1038/ngeo162
Thunderstorms occasionally produce upward discharges, called
blue jets and gigantic jets, that propagate out of the storm top
towards or up to the ionosphere
1
–
4
. Whereas the various types
of intracloud and cloud-to-ground lightning are reasonably well
understood, the cause and nature of upward discharges remains
a mystery. Here, we present a combination of observational
and modelling results that indicate two principal ways in which
upward discharges can be produced. The modelling indicates
that blue jets occur as a result of electrical breakdown between
the upper storm charge and the screening charge attracted to
the cloud top; they are predicted to occur 5–10 s or less after
a cloud-to-ground or intracloud discharge produces a sudden
charge imbalance in the storm. An observation is presented of
an upward discharge that supports this basic mechanism. In
contrast, we find that gigantic jets begin as a normal intracloud
discharge between dominant mid-level charge and a screening-
depleted upper-level charge, that continues to propagate out of
the top of the storm. Observational support for this mechanism
comes from similarity with ‘bolt-from-the-blue’ discharges
5
and
from data on the polarity of gigantic jets
6
. We conclude that
upward discharges are analogous to cloud-to-ground lightning.
Our explanation provides a unifying view of how lightning
escapes from a thundercloud.
Classical, normally electrified thunderstorms have a dominant
dipolar electrical structure consisting of mid-level negative and
upper-level positive charges, augmented by lower positive charge
and negative screening charge at the upper cloud boundary
7
,
8
(
Fig.
1
a). The storm charges and electric fields build up with time
as a result of charging currents, believed to be precipitation driven
8
,
until a breakdown threshold is reached. At this point, bidirectional
discharges occur
9
,
10
, producing di
ff
erent lightning types depending
on where the triggering occurs first.
Discharges that escape the storm are possible when the
breakdown is triggered between adjacent unbalanced charge
regions, such as occur in the lower and upper parts of storms
11
–
13
.
Thus, breakdown triggered between the mid-level negative and
lower positive charges usually escapes the storm downward to
become a negative cloud-to-ground discharge
14
(
Fig.
1
b). The
ability of the discharge to continue through the lower positive
charge region is aided by the presence of an overall negative
charge imbalance in the storm, which biases the storm potentials
negatively and imparts a strongly negative initial potential (‘
×
’ in
Fig.
1
c) to the downward-developing leader.
Normally electrified storms tend to develop an overall
negative charge imbalance with time as a result of the negative
screening charge flowing to the cloud top
15
(
I
sc
in
Fig.
1
a).
The negative charge is intermittently lowered to ground by
negative cloud-to-ground discharges, thereby helping charge the
global atmospheric electric circuit
7
. Simple electrodynamic model
calculations (see the Supplementary Information) show that the
e
ff
ect of a negative cloud-to-ground discharge is to suddenly
change the storm’s net charge from negative to positive. As a
result, the cloud potential quickly shifts towards positive values
(
Fig.
1
c) and the electric field is enhanced in the upper part of
the storm
16
(
Fig.
1
b). Continued charging can lead to a discharge
being triggered in the upper part of the storm within a few
seconds (
Fig.
1
e,f), which would be expected to escape upward
above the cloud top. The upward discharge would have the same
polarity as the upper storm charge, namely positive for a normally
electrified storm producing negative cloud-to-ground discharges.
The triggering is suppressed if the screening charge is mixed into the
upper storm charge, but if such mixing is weak or absent, upward
discharges are predicted to occur commonly. The fact that jets are
infrequent implies that mixing of the screening charge is normally
strong in storms.
That an upper-level discharge, once triggered, would propagate
upward above the cloud top is illustrated in
Fig.
1
d using results
from a stochastic lightning simulation model
17
. The breakdown
escapes upward because of the strong positive potential (
∼
150 MV)
in the upper part of the storm, which is imparted to the developing
leader channel, coupled

Kết quả (Việt) 1:

Lên điện thảitừ sươngPAUL R. KREHBIEL1*, JEREMY A. RIOUSSET2*, VICTOR P. PASKO2, RONALD J. THOMAS3,WILLIAM RISON3, MARK A. STANLEY4VÀ HARALD E. EDENS11Công nghệ vật lý vùng, New Mexico, Socorro, New Mexico 87801, Hoa Kỳ2CSSL phòng thí nghiệm, Penn State University, University Park, Pennsylvania 16802, Mỹ3Công nghệ kỹ thuật điện Cục kỹ thuật, New Mexico, Socorro, New Mexico 87801, Hoa Kỳ4114 Mesa Verde Road, Jemez Springs, New Mexico 87025, Mỹ*thư điện tử:[e-mail];[e-mail]ất bản trực tuyến: 23 Tháng ba năm 2008; Doi:10.1038/ngeo162Dông thường xuyên sản xuất thải trở lên, gọi làmàu xanh máy bay phản lực và máy bay phản lực khổng lồ, truyền ra khỏi đầu bãohướng tới hoặc lên đến tầng điện ly1–4. Trong khi các loại khác nhauintracloud và đám mây không đối đất sét là hợp lý tốthiểu rõ, nguyên nhân và bản chất của trở lên thải còn lạimột bí ẩn. Ở đây, chúng tôi trình bày kết hợp các quan sátvà mô hình kết quả chỉ ra hai cách chính màthải trở lên có thể được sản xuất. Các mô hình cho thấymàu xanh máy bay phản lực xảy ra là kết quả của các sự cố điện giữaphí trên cơn bão và phí tầm soát để thu húttop đám mây; họ đang dự đoán xảy ra 5 – 10 s hoặc ít hơn sau khimột đám mây không đối đất hoặc intracloud xả sản xuất một bất ngờphí mất cân bằng trong cơn bão. Một quan sát được trình bày củaxả trở lên hỗ trợ cơ chế cơ bản này. Ởngược lại, chúng tôi tìm thấy máy bay phản lực khổng lồ bắt đầu như là một intracloud bình thườngxả giữa chi phối giữa mức phí và kiểm tra một-phí cấp trên hết, mà tiếp tục tuyên truyền trênđầu của cơn bão. Quan sát hỗ trợ cho cơ chế nàyxuất phát từ sự tương đồng với 'bolt-từ-the-xanh' thải5vàtừ dữ liệu trên cực của máy bay phản lực khổng lồ6. Chúng tôi kết luận rằngthải trở lên là tương tự như đám mây không đối đất sét.Lời giải thích của chúng tôi cung cấp một cái nhìn thống nhất về cách chống sétthoát từ một thundercloud.Dông cổ điển, điện khí hoá thường có một chiếm ưu thếdipolar cấu trúc điện, bao gồm trung cấp tiêu cực vàtích cực cấp trên chi phí, tăng cường bởi phí tích cực thấpvà phí kiểm tra tiêu cực tại ranh giới phía trên đám mây7,8(Hình.1a). phí bão và điện trường xây dựng với thời gianlà kết quả của tính dòng, được lái xe mưa8,cho đến khi đạt đến một ngưỡng Niu Di-lân. Tại thời điểm này, hai chiềuthải xảy ra9,10, di sản xuấtFFtiểu sét loại tùy thuộcvào nơi các kích hoạt xảy ra lần đầu tiên.Thải mà thoát khỏi các cơn bão có thể khi cácphân tích được kích hoạt giữa liền kề phí không cân bằngkhu vực, chẳng hạn như xảy ra ở phần thấp hơn và phía trên của bão11–13.Vì vậy, phân tích kích hoạt giữa các tiêu cực Trung cấp vàthấp chi phí tích cực thường thoát khỏi các cơn bão xuống đểtrở thành một đám mây không đối đất xả tiêu cực14(Hình.1b). cáckhả năng xả để tiếp tục thông qua việc tích cực thấpphụ trách khu vực được hỗ trợ bởi sự hiện diện của một âm tính tổng thểphí mất cân bằng trong cơn bão, biases tiềm năng bãotiêu cực và kiến thức sâu rộng một tiềm năng mạnh mẽ tiêu cực ban đầu ('×' trongHình.1c) để các nhà lãnh đạo phát triển xuống.Bão điện khí hoá thường có xu hướng để phát triển một tổng thểsự mất cân bằng điện tích âm với thời gian là kết quả của các tiêu cựckiểm tra phí chảy trên đám mây15(TôiSCởHình.1a).Phí tiêu cực liên tục được hạ thấp xuống mặt đất bằngđám mây không đối đất nước, do đó giúp đỡ phí tiêu cực cácmạch điện trong khí quyển toàn cầu7. Mô hình đơn giản electrodynamictính toán (xem thông tin bổ sung) cho thấy rằng cáceFFECT xả mây mặt đất tiêu cực là bất ngờthay đổi phí net cho các cơn bão từ tiêu cực thành tích cực. Như là mộtkết quả, các đám mây tiềm năng một cách nhanh chóng thay đổi theo hướng tích cực giá trị(Hình.1c) và điện trường được tăng cường ở trên một phần củacơn bão16(Hình.1b). tính phí liên tục có thể dẫn đến một xảđang được kích hoạt trong phần trên của cơn bão trong vòng một vàigiây)Hình.1e, f), mà sẽ được dự kiến để thoát lên trênphía trên đầu đám mây. Xả trở lên sẽ có cùng mộtphân cực như các phí trên storm, cụ thể là tích cực cho một bình thườngbão điện khí hoá âm cloud không đối đất nước sản xuất.Việc kích hoạt là đàn áp nếu phí khám pha trộn vào cáccơn bão trên phí, nhưng nếu pha trộn như vậy là yếu hoặc vắng mặt, trở lênthải được dự đoán xảy ra phổ biến. Thực tế là máy bay phản lựcnhững ngụ ý rằng trộn phí kiểm tra là bình thườngmạnh mẽ trong cơn bão.Rằng một thượng cấp xuất viện, một khi được kích hoạt, sẽ tuyên truyềntrở lên trên đám mây hàng đầu được minh họa trongHình.1d sử dụng kết quảtừ một mô hình mô phỏng ngẫu nhiên sét17. Các sự cốthoát lên vì sự mạnh mẽ tích cực tiềm năng)∼150 MV)trong phần trên của cơn bão, đó truyền đạt cho phát triểnlãnh đạo kênh, kết hợp

Kết quả (Việt) 2:

Phóng điện lên
từ dông
PAUL R. KREHBIEL
1
*
, JEREMY A. RIOUSSET
2
*
, VICTOR P. PASKO
2
, RONALD J. Thomas
3
,
WILLIAM Rison
3
, MARK A. STANLEY
4
VÀ HARALD E. Edens
1
1
Khoa Vật lý, New Mexico Tech, Socorro, New Mexico 87.801, Hoa Kỳ
2
phòng thí nghiệm CSSL, Đại học Penn State, Đại học Park, Pennsylvania 16.802, USA
3
cục Kỹ thuật điện, New Mexico Tech, Socorro, New Mexico 87.801, USA
4
114 Mesa Verde Road, jemez Springs , New Mexico 87.025, USA
*
e-mail:
[e-mail]
;
[e-mail]
đăng trực tuyến: 23 tháng ba 2008; doi:
10,1038 / ngeo162
Dông thỉnh thoảng sản xuất thải trở lên, được gọi là
máy bay phản lực màu xanh và máy bay phản lực khổng lồ, và lan truyền ra khỏi top bão
hướng tới hoặc lên đến tầng điện ly
1
-
4
. Trong khi các loại khác nhau
của intracloud và đám mây đối đất sét được hợp lý cũng
hiểu, nguyên nhân và bản chất của phóng lên vẫn còn
là một bí ẩn. Ở đây, chúng tôi trình bày một sự kết hợp của các quan sát
kết quả và mô hình mà chỉ ra hai cách chính trong đó
phóng lên có thể được sản xuất. Các mô hình chỉ ra
rằng máy bay màu xanh xảy ra như là kết quả của sự cố điện giữa các
điện tích bão trên và chịu trách nhiệm sàng lọc để thu hút
đầu đám mây; họ được dự đoán sẽ xảy ra 5-10 s hoặc ít hơn sau khi
một đám mây mặt đất-to-xả intracloud tạo ra một bất ngờ
mất cân bằng điện tích trong cơn bão. Một quan sát được trình bày trong
một xả trở lên có hỗ trợ cơ chế cơ bản này. Trong
khi đó, chúng ta thấy rằng máy bay phản lực khổng lồ bắt đầu như một intracloud bình thường
xả giữa phí trung cấp chiếm ưu thế và một screening-
cạn kiệt phí trên cấp, mà tiếp tục lan truyền ra khỏi
đầu của cơn bão. Hỗ trợ quan sát cho cơ chế này
xuất phát từ sự tương đồng với 'bolt-từ-các-xanh thải
5
và
từ dữ liệu trên các cực của máy bay phản lực khổng lồ
6
. Chúng tôi kết luận rằng
phóng lên là tương tự như đám mây đối đất sét.
Giải thích của chúng tôi cung cấp một cái nhìn thống nhất của sét cách
thoát ra từ một đám mây dông.
Cổ điển, giông bão thường điện có chi phối
cấu trúc điện lưỡng cực gồm giữa mức tiêu cực và
trên cấp độ điện tích dương, tăng cường bởi các điện tích dương thấp
và phí kiểm tra tiêu cực tại các đám mây ranh giới trên
7
,
8
(
Hình.
1
a). Phí bão và điện trường xây dựng với thời gian
như là kết quả của các dòng sạc, được cho là mưa hướng
8
,
cho đến khi một ngưỡng sự cố là đạt. Tại thời điểm này, hai chiều
thải xảy ra
9
,
10
, sản xuất di
ff
loại erent sét phụ thuộc
vào nơi Triggering xảy ra trước.
Thải mà thoát khỏi cơn bão có thể xảy ra khi
sự cố được kích hoạt giữa phí không cân bằng liền kề
khu vực, chẳng hạn như xảy ra ở phía dưới và phần trên của bão
11
-
13
.
Như vậy, sự cố gây ra giữa các cấp độ giữa âm và
điện tích dương thấp hơn thường thoát khỏi cơn bão xuống để
trở thành một tiêu cực cloud-đối-đất xả
14
(
Hình.
1
b). Các
khả năng xả tiếp tục thông qua tích cực hơn
khu vực phí được hỗ trợ bởi sự hiện diện của một âm tổng thể
mất cân bằng điện tích trong cơn bão, mà những thành kiến tiềm năng cơn bão
tiêu cực và truyền đạt một tiềm năng ban đầu mạnh mẽ tiêu cực ( '
×
' trong
hình.
1
c ) để các đạo phóng-phát triển.
bão thường điện có xu hướng phát triển tổng thể
mất cân bằng điện tích âm với thời gian như một kết quả của sự tiêu cực
phí sàng lọc chảy vào các đám mây hàng đầu
15
(
I
sc
trong
Fig.
1
a).
các điện tích âm là không liên tục hạ xuống mặt đất bằng cách
tiêu cực thải đám mây đối đất, qua đó giúp sạc
khí quyển toàn cầu mạch điện
7
. Đơn giản mô hình điện động
tính toán (xem thông tin bổ sung) cho thấy
e
ff
vv của một xả âm đám mây đối đất là đột nhiên
thay đổi phí ròng của bão từ tiêu cực sang tích cực. Như một
kết quả, tiềm năng điện toán đám mây một cách nhanh chóng chuyển hướng tới các giá trị tích cực
(
Hình.
1
c) và điện trường được tăng cường ở phần trên của
cơn bão
16
(
Hình.
1
b). Tiếp tục sạc có thể dẫn đến một xả
được kích hoạt trong phần trên của các cơn bão trong vòng vài
giây (
Fig.
1
e, f), mà sẽ được dự kiến sẽ thoát lên
trên đỉnh đám mây. Việc xả trở lên sẽ có cùng
cực như phí bão trên, cụ thể là tích cực cho một thường
bão điện sản xuất âm đám mây đối đất thải.
Các Triggering bị ức chế nếu phí sàng lọc được trộn vào
phí bão trên, nhưng nếu trộn như vậy là yếu hoặc vắng mặt, tăng
thải được dự đoán sẽ xảy ra thường. Thực tế là máy bay phản lực là
không thường xuyên có nghĩa là pha trộn của các phí sàng lọc thường là
mạnh mẽ trong các cơn bão.
Đó là sự phóng trên cấp độ, khi được kích hoạt, sẽ tuyên truyền
hướng lên phía trên đầu đám mây được minh họa trong
Hình.
1
d sử dụng kết quả
từ một mô phỏng sét ngẫu nhiên mô hình
17
. Các sự cố
thoát lên vì những tiềm năng tích cực mạnh (
~
150 MV)
ở phần trên của bão, được truyền đạt cho phát triển
kênh lãnh đạo, cùng