根据前一节中谈到的放电始发过程,雷电的始发实际上牵涉到两个主要基本过程:其一是初始流光的始发,其二是流光的持续传输。在雷云中激发初始流光的因子可以很多,像水滴碰撞、分裂时都会引起水滴变形,从而加大局部畸变电场,最终触发流光。若该流光能得以持续传输,它们就会演变成先导并引起雷电。
Phelps(1971)通过在平板电极之间引入初始流光的实验测量到:正流光持续传输所需要的环境电场大约在6.3×105~7.4×105 V/m之间;而负流光持续传输所需要的环境电场大于8×105 V/m。
Crabb和Latham(1974)测量到由雨滴碰撞所产生的正初始流光持续传输时所需要的环境电场大约在250~500 kV/m之间。后来,Griffiths和Phelps(1976)通过实验测量到正流光持续传输所需要的环境电场与气压之间成正比例关系,气压越低流光持续传输所需要的环境电场也越低。当气压低到300 mbar时,该环境电场可低于100 kV/m。不过,因为流光持续传输所需要的环境电场与湿度之间也存在正比例关系,云中湿度较大,估计在雷暴云中正流光持续传输所需要的环境电场可大到几百kV/m。
另一方面,我们知道在地面测到的雷暴云下电场值一般不会超过每米10kV,即使在云中,通过火箭、气球及飞机测到的结果表明:云中电场至多也不过每米上百千伏,而在云的下方电场一般只有每米几十kV/m。(Marshall and Rust,1991;Marshall等,1995)。也有报道声称火箭及飞机偶尔会碰到每米高达三四百kV的电场,但这样的电场一般只局限于至多上百米的区域内(Winn等,1974)。综合以上所有这些观测事实可以得出结论:雷电的先导至少在绝大部分时间是在远远低于流光持续传输所需要的环境电场中传输的。
为了进一步说明这一现象,我们来看看始于高建筑物的上行放电(Berger,1967;Uman,1987)。很多统计结果表明,若建筑物的高度低于100 m,该高建筑物上一般不会发生上行雷;若高建筑物高于100 m,从该高建筑物顶部发生上行雷的可能性就会变得很大。这说明雷暴环境下,高于100m的高建筑物其顶部处,由于感应产生的电场足以始发上行持续先导,最终导致上行雷电。在作一定近似处理后,可以很容易计算出处于雷暴环境下的高建筑物顶部处的电场分布。图5-8是一例地面处于雷暴电场为10 kV/m时,50 m和100 m高铁塔顶部处的电场分布(Wang等,1995)。该图的横轴是离开塔顶的距离。可以看到随着离开塔顶距离的增加,电场将会很快变小,几米外的电场将变得与背景电场10 kV/m相差无几。实际仅在塔顶附近数十厘米范围内的电场方超过初始流光持续传输所需要的环境电场。分析以上事实,不难得出结论,自然雷电始发于某一局部电场区域,同时靠这一局部强电场区域初始流光演变成可以在低电场区域中持续传输的先导,最终导致雷电。