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根据已有文献描述的对球形闪电的观测和研究结果,总结了球形闪电的观测特征,介绍了目前对球形闪电的实验研究和理论研究现状,对球形闪电的结构模型进行了简单概括。还基于云对地的线状闪电,详述了一种形成球形闪电的等离子体模型。在该模型下,在某特定环境下线状闪电等离子体通道的一个区域坍塌成小的区域,形成球形闪电。指出了未来对球形闪电的研究方向。     

基于蒙特卡罗方法的卫星光学波段闪电辐射观测模拟

我国下一代静止气象卫星风云四号将首次搭载光学闪电成像仪上天,对闪电和与之相联系的强对流天气进行实时、连续观测。对未来风云四号卫星闪电观测资料的特性进行预先研究,一个重要的途径就是建立光学波段的闪电辐射传输模拟算法,对闪电辐射的物理过程及卫星观测到的闪电辐射光学特征进行模拟研究。结合风云四号卫星闪电成像仪观测的几何和波长参数,在构建简化的闪电光源模型和雷暴云模型的基础上,利用蒙特卡罗随机模拟和光子追踪方法,模拟得到了风云四号卫星闪电成像仪观测到的云顶闪电信号,并对其辐射特征进行了初步研究。结果表明,基于蒙特卡罗方法的闪电辐射传输模拟,可以从理论上揭示卫星光学波段闪电辐射观测与最重要影响参数之间的联系,这将为未来星载闪电资料的应用提供非常有价值的信息。     

球状闪电之谜

介绍了球状闪电的一般性质和研究价值，用等离子体物理理论描述了从普通闪电到球状闪电的物理过程，讨论了球状闪电的孤子模型和化学反应模型．     

闪电等离子体连续辐射谱特征分析

闪电等离子体光谱特征是在强连续辐射背景上叠加丰富的NⅡ,NⅠ,OⅠ,HⅠ线状谱,闪电回击通道温度可达万开以上,通道内氮分子和氧分子接近完全离解,分析连续谱时,不考虑各组分分子带状谱对连续谱的影响。使用摄谱范围在400~1 000 nm的无狭缝光栅摄谱仪记录云对地闪电放电光谱,在光谱可见区低频段观测到大量一价氮离子谱线,未观测到明显的其他离子谱,认为连续辐射机制主要由氮离子与自由电子相互作用产生,包括轫致辐射和复合辐射。等离子体温度在1×104 K以下时轫致辐射连续谱呈现出平谱特征,辐射强度较弱,随着等离子体温度升高在紫外段辐射强度增加,对可见段连续谱轮廓特征没有明显影响。对于复合辐射,设闪电等离子体符合局域热力学平衡和光学薄条件,以类氢离子经典辐射理论为基础,以冈特因子作量子力学修正,考虑到复合过程中自由电子被离子俘获,大概率出现在高激发状态,引入非类氢的复杂离子近似计算方法分析氮离子复合辐射过程,导出连续谱复合辐射系数与波长的函数关系,获得特定参数条件下氮等离子连续辐射谱特征曲线,与闪电连续谱轮廓观测结果比较,发现等离子体电子温度与连续辐射谱谱峰位置密切相关,认为通过对闪电连续谱轮廓拟合,能够可靠诊断闪电放电通道表面电子温度。研究认为氮离子实有效核电荷数Z*取值对连续谱特征也有显著影响,Z*取值小,连续谱跃变特征增强;Z*取值大,连续谱展宽特征增强,从而与实测谱轮廓底部背离增大。通过多次对比发现Z*取为2~4时,理论曲线与连续谱观测轮廓具有较好的一致性,Z*的取值范围由离子种类决定,引入离子有效核电荷数Z*,能够很好地解释闪电等离子体连续谱在特定波长出现跃变的特征。     

超短脉冲激光在引导闪电中的应用

超短超强激光可以在大气中引起非线性效应以及产生等离子体，超短超强激光在非线性自聚焦和等离子体散焦的平衡可以使激光在大气中传播很长的距离，从而产生一条较长的低密度的等离子体通道，文章对其形成的原理和利用其引导闪电的可行性进行阐述，说明该通道在外场下可以触发和引导闪电到安全地点，对其机制的深入研究对工业和国防应用具有重要的意义。     

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。     

闪电双向先导理论及观测:极性不对称、不稳定及间歇性

闪电双向先导原理的提出及观测验证是闪电物理研究近几十年最重要的进展之一,而正、负先导及流光的极性不对称性及传输的持续、间歇性,是理解闪电各种过程物理机制的关键.本文对闪电双向先导的概念及进展进行了总结和讨论,重点强调了正、负先导流光传输机制特别是门限电场的不对称性,阐述了正先导传输的连续性及其在闪电始发、负先导的空间先导形成、不稳定先导通道中的反冲先导建立等过程中独特的启动作用.     

闪电光谱研究进展

简要回顾了早期闪电光谱的研究,分两个阶段综述了近二十年来国内外闪电光谱研究的最新进展。在20世纪60年代和70年代初,利用胶片相机获取的闪电光谱虽有诸多不足之处,但仍然取得了很多非常重要的研究成果,既为后期闪电光谱的研究奠定了坚实的基础,也指明了发展方向。2001年以来,国内首先利用普通数码摄像机组装成无狭缝光栅摄谱仪开始开展闪电光谱研究。普通数码摄像机虽然解决了胶片相机存在的问题,但拍摄速度较慢(50帧·s^-1),只能研究闪电回击通道在该时间范围内的整体性质。尽管如此,这些工作又一次推动了闪电光谱研究的发展,国际范围开始关注闪电光谱研究。Warner等于2011年用高速摄像机组装的无狭缝光谱仪记录到了云-地闪电梯阶先导的光谱,大幅度提高了拍摄速度(10 000帧·s^-1)。2012年以来,国内也开始利用以高速摄像机作为记录系统集成的无狭缝光栅摄谱仪捕获闪电光谱,用更高时间分辨率对闪电通道不同阶段的辐射光谱开展了大量研究,并取得了多项引人瞩目的成果,主要包括自然闪电的梯级先导、直窜先导和回击以及球状闪电和闪电通道核心的光谱研究。2017年,W...     

闪电消散过程等离子体温度衰减规律的理论研究

利用流体运动方程、连续性方程和能量守恒方程,对自然闪电回击后的消散过程建立数学模型,计算了等离子体温度随时间和空间的变化规律.结果分析表明：在相同的通道半径处,前期温度随时间衰减较快,后期较慢,并且,初始温度越高,衰减越快;随着半径的增大,温度的衰减幅度逐渐减小.同一时刻,半径小的位置温度梯度较小,半径大的位置温度梯度较大.由衰减到NO冻结温度的时间和位置,初步推断氮氧化物（NO_x）生成主要在闪电冲击波之后50 ms内、半径R=9 mm的等离子体通道内. 关键词： 闪电消散过程 等离子体 温度     

The Principles of Developing the Ball Lightning Theory

Criteria for developing the ball lightning theory based on the results of observations are analyzed. It is assumed that the key features of ball lightning are a large energy (more than 10⁶ J) and long lifetime (more than 1 s). We exclude from consideration theories which do not explain these features and concentrate our attention on the analysis of three models where the large energy of the autonomous ball lightning and the forces providing the compression of the ball lightning substance are taken into account. The first considered model was developed by Geert Dijkhuis, in which the appearance of a force directed towards the system center is attributed to the Bose condensation of vortices of degenerated electrons as well as to gradient forces arising due to a nonuniform distribution of the electron density over the ball lightning volume. The second model proposed by Vladimir Bychkov assumed that the energy reservoir of ball lightning is polymer threads carrying a big electric charge. Our model assumes that the energy is stored in the form of kinetic energy of ions which the positively charged core of ball lightning is thought to consist of. The core is compressed by a dielectric shell which, in turn, is shrunk by the force created due to the nonuniform electric field of the core. The merits and limitations of these and other models are discussed.     

闪电的人工触发和研究

介绍了人工引发闪电技术的发展历史和原理,以及近几年来我们利用这一技术在闪电物理研究方面取得进展。给出了人工引发闪电民流和高速摄像同步测量结果,并分析了各电流分量及其涉及的物理过程。在对比人工引发闪电与自然闪电异同的基础上,批出它的各方面都与从高建筑物始发的上行雷电十分相似。人工引发闪电在研究雷击机理、雷击效应、雷电防护以及电波传播、植物诱变育种等方面也具有广泛的应用前景。     

基于分形理论的飞机雷击初始附着点的数值模拟

飞机雷击附着点的确定能够为飞机防雷设计提供依据,是飞机雷击区域划分和飞机各部件进行雷电试验鉴定的先决条件.本文提出了一种基于分形理论的飞机雷击初始附着点数值模拟的新方法.该方法首先依据标准SAE-ARP5416中有关飞机雷击附着点试验的规定,确定放电间隙、雷电起始坐标、飞机姿态和放电次数等参数,然后根据分形理论,使用电介质击穿模型模拟符合自然界雷电物理机理和几何特征的雷电先导分形发展过程,同时考虑飞机自身触发双向先导的情况,最终得到飞机的雷击附着点分布.通过本文方法仿真模拟得到飞机F-4雷击附着点的分布概率,并分别与该飞机飞行实验和实验室高压放电实验测试得到的真实雷击附着点的概率分布情况比较,结果基本吻合,验证了该方法的有效性.研究结果为飞机雷击附着点仿真模拟提供了一个有潜力的方法,可作为飞机防雷设计和今后开展相关研究工作的基础.     

雷暴云带电的理论研究

本文对雷暴云的起电机制进行了研究，提出了雷暴云起电的对流碰撞理论，建立了雷暴云带的简化模型。由该模型给出了雷暴云中电荷的分布函数以及雷暴云轴线上电场强度的计算公式。并对雷暴云闪电过程中电荷的交换情况进行了分析。     

飑线系统中的闪电辐射源分布特征及云内电荷结构讨论

本文利用SAFIR3000闪电定位资料和多普勒天气雷达资 料分析了2010年6月13日发生于北京的飑线 系统中的闪电活动特征并讨论了电荷结构, 发现闪电都集中分布在飑线的前部线状强回波区域内, 仅在消散阶段在层云降水回波内发生的闪电数目明显增加. 通过闪电分布与降水的关系研究发现, 总闪电与对流降水整体相关系数达到了0.82, 云闪与对流降水的整体相关系数为0.76, 表明闪电的发生与雷暴云内动力和微物理过程密切相关. 基于闪电的辐射源分布特征, 讨论了飑线内电荷分布特征. 研究结果表明在飑线成熟阶段, 闪电辐射源密度的分布呈现出双层结构的分布特征, 下部的闪电辐射源中心位于4 km高度处, 上部的辐射源中心位于11 km高度处, 根据闪电双向先导的传输方式, 闪电辐射源密度高值区对应于负先导在正电荷区的传播, 飑线对流云区内总体呈现出中间为负电荷区, 上部和下部分别为正电荷区的三极性的电荷结构：上部正电荷区位于10–12 km高度处, 中部负电荷区位于8–10 km高度处, 下部正电荷区位于4–7 km高度处. 关键词： 飑线 闪电辐射源 电荷结构 SAFIR3000     

闪电物理

闪电物理研究的重点是地闪的研究，地闪的物理过程包括云中起闪过程，闪电传播过程及接地过程，在较大范围的云中强电场区内，两雨滴掠过碰撞形成的细丝顶端产生的电晕或冰类痧汽凝结物表面的电晕可能触发闪电；闪电在空气中的传输过程就是先导从电晕向电弧的转化过程；闪电落地过程的核心是上迎先导的形成及与下行先导的连接，闪电物理研究的重点在闪电落地过程，并应与雷电防护研究结合起来进行。     

Influence of thunderstorm atmospheric conditions on the properties of ball lightning

Rank-correlation methods are used to investigate the influence of thunderstorm atmospheric conditions on the lifetime (observation time) and diameter of ball lightning on the basis of an analysis of observations from the Stakhanov-Cole-Bychkov ball lightning PC database. For the analysis ball lightning events are ranked by diameter, the weather conditions are ranked in relation to humidity, which correlates with the charge state of the atmosphere, and thunderstorm conditions are ranked in relation to the electric field of the atmospheric ground layer. A statistical analysis shows that the lifetime and diameter of ball lightning decrease under conditions of increasing humidity and increasing electric field. The plausibility of this result from the standpoint of various existing ball lightning models is discussed. Zh. Tekh. Fiz. 67, 117–122 (April 1997)