闪电过程中电磁辐射功率的变化特征（英文）

利用无狭缝摄谱仪获得的地闪回击光谱,结合同步电场资料,计算了一次闪电放电过程中的通道温度、电导率、回击电流峰值、通道光亮度和电磁功率峰值等参数,均在文献报道的合理范围内。并由此讨论了回击前截止时间、回击通道光亮度及电磁功率峰值之间的相关性,研究了放电通道的电导率、电流和电磁功率之间的变化关系。结果表明:回击前截止时间越长,回击过程中所中和的电荷越多,形成的电流越大,辐射出的电磁能量越大。当通道电导率变大,同时电场变化峰值也增大时,通道内电流变大,回击过程中辐射出的电磁功率也变大。这方面的工作为计算闪电放电过程中产生的光学能量和电磁能量提供一定的参考依据。     

依据光谱研究闪电回击通道核心的特征参数

闪电回击通道核心中的大电流及其强电磁辐射是引发多种雷电灾害的主要根源。随着现代科技的飞速发展,闪电防护工作显得越为重要。为了完善闪电防护系统,需要从描述闪电回击通道核心的特征参数入手深入研究闪电通道形成和发展过程的微观物理机制。截至目前,光谱观测是获取闪电通道核心特征参数的最佳手段。2015年夏天在青海高原地区的野外试验中,利用由高速摄像机作为记录系统组装的无狭缝光栅摄谱仪,结合快天线地面电场测量仪,记录到一次包括四个回击的云地闪电放电过程的光谱以及与之同步的快电场变化信息。依据光谱,结合等离子体理论计算得到闪电回击通道核心的电导率。在此基础上,应用闪电电动力学模型计算了闪电回击速度、峰值电流、贯穿通道核心的电磁场以及通道核心单位长度的峰值功率等特征参数。结果表明,回击速度在(1.2～2.3)×108 m·s-1的范围内;贯穿回击通道核心的轴向电场、径向电场和磁感应强度的最大值分别在(1.42～1.74)×105 V·m-1,(8.22～9.99)×108 V·m-1和(1.51～2.83) T的范围内。当闪电回击的峰值电流在(7.52～24.05) kA的范围内时,回击通道核心的峰值功率在(0.63～1.92)×109 W·m-1的范围内。另外,分析了电导率、起始电场峰值、回击速度和峰值电流与峰值功率之间的相关性,结果发现峰值电流和峰值功率具有良好的线性关系。研究结果可为探索闪电回击通道形成和发展过程的微观物理机制提供参考依据。     

光谱法研究闪电回击放电通道的电阻及电流的热效应

闪电放电通道的电阻及电流产生的热效应对雷电灾害研究以及防护设计都具有重要意义,放电通道的热力学特性与其等离子体辐射光谱密切相关。利用无狭缝摄谱仪获得的两次云对地多回击闪电放电的等离子体辐射光谱,依据谱线波长、强度等信息,结合同步地面电场变化资料,应用空气等离子体传输理论,计算了闪电回击放电通道的电导率、峰值电流、核心通道半径,进而得到了闪电回击等离子体通道单位长度的电阻、峰值电流时的热功率及在回击初始前5 μs内通道储存的热能。并与常规金属导体进行比较,分析了闪电回击放电在峰值电流时等离子体通道的热功率与电阻、电流平方之间的相关性关系。结果表明：利用光谱研究得到的闪电放电通道的电阻为0.04～8.41 Ω·m-1、峰值电流时的热功率为0.88×108～2.20×108 W·m-1、回击初始前5 μs内通道储存的热能为1.47×102～3.66×102 J·m-1,以上结果与文献报道的利用其他方法得到的结果相比,在合理的范围内;与常规金属导体相比,闪电回击放电等离子体通道在峰值电流时的热功率与电阻成正比,但与电流的平方呈指数减小的关系;由于闪电等离子体通道的电阻与温度的3/2次方成反比,通常回击放电通道中峰值电流越大,通道温度越高,而电阻会迅速降低,因此热功率也会急剧减小。此结论进一步验证了采用欧姆加热方法加热等离子体的致命缺点。     

光谱法研究闪电通道的导电特性

依据无狭缝光栅摄谱仪在青海获得的云对地闪电回击光谱信息,结合空气等离子体传输理论,用四种不同方法计算了同一闪电放电通道的电导率。结果表明：各种方法所得闪电核心通道的电导率数量级均为104 S·m-1;且同一通道内的电导率随通道高度的增加有减小的趋势;通道内电子与一次、二次电离离子的碰撞以及它们各自的碰撞对通道电导率的贡献不可忽略;用碰撞积分的方法计算闪电核心通道的电导率结果更为合理。在通道电导率的基础上估算了回击通道的放电电流,与辐射峰值电场实验资料所得的相应峰值电流相比,其结果在合理的范围内, 并进一步探讨了温度与电流放电特性的相关性, 为研究闪电放电电流提供了一条可行的途径。     

闪电首次回击过程中通道温度与电导率的演化特征

利用以高速摄像机为记录系统组装的无狭缝摄谱仪,在青海地区获得了多次云对地闪电首次回击过程400-900 nm波长范围的时间分辨光谱,分别计算了闪电电流核心通道和外围发光通道的温度;结合空气等离子体的传输理论,获得了闪电通道的电导率,探讨了回击过程中通道温度及电导率的演化特征.结果表明,闪电电流核心通道的温度比外围通道高约5000-7000K,并且,与以往关于通道峰值温度持续时间的观点不同,回击过程中,通道保持高温的时间远远大于峰值放电电流存在的时间,在回击电流缓慢减小的数百微秒内,核心电流通道维持20000K以上高温,这一特性是热效应导致雷电灾害的主要根源.     

闪电首次回击过程中通道温度与电导率的演化特征

利用以高速摄像机为记录系统组装的无狭缝摄谱仪,在青海地区获得了多次云对地闪电首次回击过程400-900 nm波长范围的时间分辨光谱,分别计算了闪电电流核心通道和外围发光通道的温度;结合空气等离子体的传输理论,获得了闪电通道的电导率,探讨了回击过程中通道温度及电导率的演化特征.结果表明,闪电电流核心通道的温度比外围通道高约5000-7000 K,并且,与以往关于通道峰值温度持续时间的观点不同,回击过程中,通道保持高温的时间远远大于峰值放电电流存在的时间,在回击电流缓慢减小的数百微秒内,核心电流通道维持20000 K以上高温,这一特性是热效应导致雷电灾害的主要根源.     

依据光谱研究闪电放电通道的半径及能量传输特性

利用无狭缝摄谱仪获得的云对地闪电回击过程的光谱, 结合同步辐射电场变化资料, 计算了闪电放电通道的温度、线电荷密度、通道的初始半径和扩张后的半径以及回击通道单位长度储存的能量. 结果与文献报道的其他方法得到的结果符合很好. 这些物理量的相关性分析表明: 电弧通道的初始半径主要取决于回击电流的持续时间; 通道温度越高, 半径越大; 通道初始半径、单位长度储存的能量与光谱总强度正相关, 通道单位长度储存的能量与初始半径的平方成正比. 关键词： 闪电放电通道 半径 能量 光谱总强度     

峰值电流达几千安量级的闪电M分量放电特征及机理探讨

利用2009年山东人工触发闪电实验获取的实测雷电流资料、近距离电场和高速摄像资料,分析了6次峰值电流达几千安量级的M分量.6次M分量均对应闪电通道中明显的发光亮度的脉冲式变化,持续时间小于1 ms.M分量的电流波形和近距离电场波形均呈较为对称的V形,且波形的上升时间均为几十微秒,同步记录结果显示,电场先于通道底部电流发生变化且先达到峰值.这些M分量在发生前,闪电通道中存在一定的连续电流,通道的导电性优于先导-回击过程.M分量发生前的闪电 关键词： 闪电 M分量')" href="#">M分量 先导-回击 通道电流     

利用近红外波段光谱研究闪电回击通道温度的演化特性

依据3个闪电回击过程的时间分辨光谱,采用不同的方法计算闪电核心电流通道温度及外围发光通道温度,研究了回击电流衰减过程中通道温度随时间的演化特性。结果表明,核心电流通道温度比外围发光通道温度高4000~5000K。在峰值电流之后,相比于电流的变化,通道温度的衰减更为缓慢。峰值电流之后约400μs时,通道温度仍维持在20000K左右,如此长时间的高温导致的热效应是许多闪电灾害的主要根源。     

人工触发闪电通道的导电特性

用光学多道分析仪(OMA)获得了山东地区人工触发闪电回击过程的发射光谱.与以往的自然闪电光谱相比,除了氮、氧的中性原子及一次电离的离子谱和Hα谱线外,这次人工触发闪电的光谱还记录到了微量元素ArⅠ 602.5 nm及ArⅡ 666.5 nm的谱线.在局部热力学平衡近似下,根据光谱线的相对强度等参量,计算了闪电通道等离子体的温度;利用Hα线的Stark加宽、通过半经验方法获得了闪电通道的电子密度;首次结合等离子体理论得到了闪电通道的电导率,并由此讨论了通道的导电特性,分析了通道电导率与回击电流之间的相关性,为进一步计算回击电流提供了参考数据.结果分析得出:闪电通道是良导体,电子是通道电流的主要载体;一般情况下,人工触发闪电的通道亮度比自然闪电通道大,而通道回击电流小于自然闪电.     

青藏高原东北部闪电M变化多参量观测

利用闪电光通道高速摄像、 地面电场变化和峰值辐射强度同步资料, 对比分析了负地闪连续电流阶段和人工触发闪电放电过程中M变化特征. 结果表明, 通道亮度资料能够辅助地面电场波形来准确判断是否为真实的M过程. 在经典M变化产生前及其过程中会产生很多快速电场变化MP(称为预M变化)变化, 大量MP促成了M变化. MP变化和K变化在脉冲特征上没有太多差别, 产生的物理机制是相似的. MP变化是连续电流阶段快速电场变化, 是击穿过程引起的电荷快速流动的结果, 并伴有通道突然增亮和高强度辐射. M变化脉冲波形多数为单极性, 有正有负, 少数呈现不规则变化, 持续时间在0.1 ms之内.而经典M变化的U 形结构只适用于近闪, 波形是静电场所致, 持续时间约0.2–0.8 ms. MP和K变化都是击穿所致, 只是MP变化有电荷流入原回击通道, 而K变化没有. 关键词： 青藏高原 M变化')" href="#">M变化 MP变化')" href="#">MP变化 K变化')" href="#">K变化     

A new perspective to the attributes of lightning electromagnetic field above the ground

The characteristic parameters of lightning electromagnetic field, which include the peak value, time derivatives, power flow density and energy density, are very important for lightening electromagnetic field shielding, remote sensing of lightning and modeling of discharge channel. Different from issued results, which operate the lightning electromagnetic field only at some discrete points near the ground, the electromagnetic field and its derivatives at every point in the whole space are calculated by a modified finite difference time-domain (FDTD) approach and are illustrated with groups of plots in this paper. The spatial attribute of these parameters is investigated, and their propagation processes over finite conductivity ground are time-sampled and analyzed. Moreover, the propagation effects of lightning electromagnetic field and its time derivatives over different finite conducting ground are also analyzed in the entire area. In the region of ground, the conclusions gotten from our data are fairly consistent with the consequences from the published articles. Meanwhile, some novel phenomena are detected from our results in the atmosphere, which has never been involved in reported articles. Furthermore, the method employed has been tested and compared with the issued experiment data and the results from theoretical approach firstly.     

闪电脉冲电磁场在地下空间的分布特性

为了研究闪电脉冲电磁场(LEMP)在地下传播的过程与空间分布特性,本文采用一种改进的时域有限差分法(FDTD)计算了LEMP在整个地下空间的传播过程.与以往发表的研究只局限在个别观察点的讨论不同,本文通过计算得到了空间中所有网格位置上的电磁场、时间导数、功率密度和能量密度及它们的峰值,并将它们按照空间坐标表示在相应的分布彩图中.发现在靠近地表和远离闪电通道的区域内,LEMP的各个分量同时在平行和垂直地面的两个方向上呈指数型衰减.其中磁场与水平电场的峰值在整个空间极性统一,且呈现类双指数形分布.而垂直电场在地下的峰值分为极性相反的两个区域,并且靠近闪电通道的区域呈类球状分布.其他特性参量也有类似以上的空间分布特点.并且本文通过对不同大地电导率、电容率、放电通道模型和基电流情况的计算,发现虽然在个别情况下LEMP在地下空间的数值整体增大,但整体分布特征并未改变.即使是在水平或垂直分层大地的情况下,同一层内部仍然具有相同的分布规律.甚至是在击中避雷针情况下,LEMP在地下空间的分布特点也仍然未变.而这些分布规律和特征的发现和利用,将为地下管线、设备、线缆的电磁防护设计与位置规划提供重要的支持.     

电磁波在大面积等离子体片中传播特性的分析

脉冲磁约束线形空心阴极放电形成的大面积等离子体片可应用于等离子体天线、隐身及模拟超音速飞行器表面的等离子体鞘套. 本文首次利用实测等离子体片电子密度时空分布和横向场传播矩阵法, 研究了电磁波在等离子体片中反射率、透射率、吸收率随频率及脉冲放电时间的变化特征. 结果表明: 极化方向平行磁场的电磁波, 在小于截止频率的低频带内具有较高的反射率和吸收率, 增大电流, 反射率增加, 吸收率下降, 在大于截止频率的高频带内反射率和吸收率较低, 增大电流, 透射率下降, 吸收率升高; 极化方向垂直磁场的电磁波在高混杂谐振频率附近存在吸收率明显增强的吸收带, 谐振吸收峰值与放电电流无关; 脉冲放电期间, 电磁波的反射率、透射率与吸收率由不稳定过渡到稳定的时间约为100 μs, 过渡时间随着放电电流的增加而增大, 极化方向垂直磁场、小于截止频率的电磁波在稳定放电阶段谐振吸收较强. 本文的研究成果对利用等离子体片实现对电磁波的稳定高反射作用具有重要意义.     

地闪雷电电磁脉冲在大地中的分布研究

为研究地闪雷电电磁脉冲(LEMP)在大地中的分布规律,采用二维时域有限差分法计算了在雷电通道不同距离处、不同大地电参数条件下LEMP在地下不同深度的分布,并与其他高功率电磁环境在大地中的衰减情况作了对比.计算结果表明:随距离增大,大地中LEMP场分量迅速衰减;大地电导率较大时,电场分量衰减很大;大地电容率的变化主要影响LEMP的垂直电场分量,随大地电容率的增大,垂直电场分量明显减小;随深度的增大,电场分量衰减增大,其高频成分的衰减尤为显著,低频成分则衰减很小.由此可知,对电线电缆实施简单的埋地处理并不能有效防止LEMP的耦合效应.