负地闪放电过程定义为将云内的负电荷输送到地面的放电过程。一次始于云中的负地闪放电过程通常将几十库仑的负极性云电荷带到地面。按照国际惯例，一次完整的闪电过程定义为一次 “闪电(flash或 lightning flash)”，其持续时间为几百毫秒到1秒钟不等。一次闪电包括一次或几次大电流脉冲过程，被称为“闪击(stroke)”,而其中最强的快变化部分叫“回击（return stroke）”。闪击之间的时间间隔一般为几十毫秒，对地闪电在人眼中所呈现的闪烁，便是由几次闪击所造成的。本书第四章将给出有关负地闪过程的详细讨论，本节只给出有关负地闪过程的一些定性描述和毫秒级放电特征。下面将以负地闪过程为例来阐述地闪的发展过程。
图3-2是一次负地闪所包含的各种物理过程随时间的发展示意图。大电流首次回击过程由从云到地的一系列间歇性突跳式行进的梯级先导(stepped leader)触发。而梯级先导又由云中的预击穿过程(preliminary breakdown process)激发。尽管对于预击穿过程的位置和确切的形式还有一些分歧，但一般认为预击穿过程发生于云中的负电荷区和云下部的正电荷区之间。预击穿过程是云电荷向地面输送的第一步，其持续时间从几毫秒到几百毫秒不等。光学观测表明，先导的一个梯级一般持续约1μs，其长度为几十米，梯级间的间歇时间为50
图3-2 一次负地闪所包含的各种物理过程随时间的
发展示意图（Uman, 1987）。
μs左右。梯级先导过程总体有向下运动的趋势，总持续时间一般为几十毫秒。一个发展充分的梯级先导在几十毫秒内向下输送大于10C以上的负极性云电荷。平均的先导电流是300A。单个梯级有至少1kA的脉冲电流，与之相对应的电场和磁场也是脉冲形的，其脉冲宽度约为1微秒，上升时间小于0.1μs。在梯级先导向地面传输的过程中，可能会发生分叉现象。
图3-3a和b分别给出了利用条纹相机（Streaking camera 或Boys camera）拍摄到的一次始于云内的负地闪过程（类型1）和正地闪过程（类型2）的条纹照片。两张照片最早都来源于Berger and Volgelsange(1966)。照片开始的短亮线条或光带是由先导过程的向下传播而产生的，而后面的连续长亮线条或光带是由回击产生的。图3-4是根据条纹照相画出的负地闪发展过程（类型1）示意图。
图3-3 始于云内的地闪过程条纹照片。(a) 负地闪；(b) 正地闪
图3-4负地闪发展过程示意图
（a）静止照相,(b)Boys相机（Magono, 1980）
下行负先导（downward negative leader）的头部相对于地面的电位超过107V。当先导头部接近地面时，地面的自然尖端或高大建筑物等突出物体上会自行超过空气的击穿电场，并在这些突出物体上诱发一个或几个上行的放电即上行先导(upward leader)，如图3-5所示。由此产生所谓的连接过程（attachment process）。当一个或几个这样的上行先导在地面上方几十米的地方与下行先导相接时，先导头部的电位突然碰到很近于地电位的上行先导，这时首次回击过程便开始了。
地电位波（即回击）沿着已经电离的先导通道连续向上传播,在接近地面时，回击上行的速度大约为光速的三分之一，并随高度而衰减，从地面到通道顶部的时间一般是100μs。回击在地面附近产生峰值电流，约为30kA，这就是首次回击的大电流脉冲，它从0到峰值的上升时间约为几微秒。从地面测量到的电流在50μs内下降到峰值的一半，几百安培的电流在几毫秒到几百毫秒内将持续沿着通道流动。回击能量的迅速释放将加热原先的先导通道，成为回击通道。由观测及室内实验证明，回击通道的电流核心为一厘米左右。通道的温度在瞬间达到
图3-5 一次击中Manasquan 海滨沙滩的闪电照片。照片中除主放电通道外，
还可以看到两个没有与下行先导相连接的上行先（取自Fig.6.5, Uman, 1987）。
30000K，由此产生的高压使通道迅速扩张，并产生冲击波，最终变成雷声。回击有效地将原来沉积在先导通道中的电荷以及在通道顶部的电荷输送到了地面，产生的随时间变化的电场变化可以从亚微秒量级到几毫秒。图3-6给出了一次负地闪首次电场前后在不同的距离上产生的电场变化。本书按照国际惯例，规定将云内负电荷释放到地面（即对应于云内负电荷的减少）的地闪在地面产生的电场变化为正。图中B代表预击穿过程，持续时间为2-10ms；I代表由预击穿过程向梯级先导转化的一个寂静期，称为中间（Intermediate）过程，持续时间一般为几毫秒到几百毫秒；L代表梯级先导，持续时间一般为4-30ms；R代表回击过程，J(Junction)代表回击之间的除去L，R的过程，简称击间(Interstroke)过程。
首次回击电流停止后，放电过程如果停止，则称为单闪击闪电。如果在较短的时间内通道顶部能重新聚集起足够的电荷，则可能发生以直窜先导（dart leader）或直窜??梯级先导(stepped-dart leader)引导的继后回击(subsequent return stroke)。直窜先导有可能沿着原来的梯级先导向下传播，
图3-6 负地闪在不同距离上产生的典型电场变化波形示意图（频率范围200Hz-20kHz）。图a、b、
c、d分别为2km、5km、50km和500km处的电场。典型持续时间：B过程持续2-10ms；I过程
持续0-400ms；L过程持续4-30ms。（Clarence and Malan, 1957; Schonland, 1956）。
传播速度为3×106m/s。通常一次对地的放电过程中可包含一次或几次先导??回击过程，回击过程和之后的直窜先导之间在云内会发生电场变化缓慢的J过程或者连续电流（continuing current）过程。直窜先导向地面输送约1C的电荷，电流为1kA。一些先导以直窜先导开始，在向地面传输的过程中可能会变成梯级先导，这种先导被称为直窜??梯级先导。与第一次的梯级先导??回击相比，后来的直窜先导??回击一般没有分叉。直窜先导的电场变化一般持续时间为1ms，其引导的继后回击电场变化与首次回击类似，一般认为比首次回击弱2倍左右。但，近来越来越多的研究表明，至少在1/3的闪电中，有一次或一次以上的回击过程比首次回击强（Thottappillil et al., 1992；Cooray and Perez, 1994；郄秀书等，2000）。继后回击的电流从0到峰值的持续时间比首次回击短，但最大的电场变化率类似。表3-1给出了负地闪放电过程的毫秒级特征参量（同时参照表3-4）。表中参量是综合Schonland et al.(1938)、Malan and Schonland(1951)、Pierce(1955)、Clarence and Malan(1957)、Kitagawa and Brook(1960)、Ishikawa(1961)、Krehbiel et al.(1979)、Thomson(1980)、Beasley et al.(1982)、Richard et al.(1986)、Proctor(1988)、Rakov and Uman(1990)、Kawasaki(1992)、Rakov(1994)、余晔等（2000）以及Uman(1969)观测结果得到的。更高时间分辨率的放电特征，可以参见第四章。
表3-1 负地闪放电过程的毫秒级特征参量（同时参照表3-4）
负极性云地闪电 | 最小 典型值 最大 |
总体情况 回击数 回击间时间间隔（ms） 梯级先导 持续时间（ms） 梯级长度（m） 梯级间隔（ms） 平均速度（´105 m/s） 沉积电荷（C） 平均电流（A） 梯级电流峰值（kA） 首次回击 峰值电流 (kA) 速度 (´107 m/s) 直窜先导 持续时间(ms) 传播速度(´106 m/s) 沉积电荷(C) 平均电流(A) 直窜-梯级先导 梯级长度(m) 先导间隔(ms) 平均速度(m/s) 继后回击 峰值电流(kA) 速度 (´108 m/s) | 1 3-4 26 3 40-80 100 3 6-20 50 3 50 200 30 50 125 1.0 2 2.6 3 5 20 300 ³1-2 2 10-40 110 2.0 10 >14 2 1.0 2 2.1 0．2 1 6 500 10 10 1´106 10 1 |
回击之间的时间间隔通常为几十毫秒，但是如果通道中在回击之后有连续电流流过的话，时间间隔可能会上升到1/10s。连续电流大小一般为100A左右，是云中电荷直接向地面的转移。由连续电流产生的电场变化通常是缓慢的，持续时间为100ms，并将几十库仑的电荷输送到地面。大约有1/4到1/2的地闪过程中包含有连续电流过程。在连续电流阶段的脉冲性电场变化称M分量。图3-7(a, b)给出了发生于约20km处的两次多次回击地闪的毫秒级光学和电场变化示意图。图a 包含8次回击过程，并有明显的连续电流过程，而图b包含9次回击过程，没有连续电流发生。两图中上部为光学观测，中部为快电场变化（所用仪器时间常数为70μs），下部为慢电场变化（所用仪器时间常数为4s）。
图3-7 发生于约20km的两次多回击地闪光学观测和电场变化波形。
两图中上部为光学观测，中部为快电场变化（所用仪器时间常数为70μs），
下部为慢电场变化（所用仪器时间常数为4s）。
