闪电连续电流的光谱分析及通道温度特性研究

连续电流是闪电放电过程中的一个重要子物理过程,它是指雷暴云局部电荷中心在回击之后沿原通道对地的持续放电过程。在连续电流阶段,原本发光微弱的通道其亮度有时会突然增强,这种现象被称为叠加了M分量,自20世纪连续电流被发现以来,国内外学者进行了许多观测研究。目前主要是利用电磁学和光学的观测手段揭示其放电和发光的宏观特征,利用光谱观测对其通道内部微观的发光信息和物理特性等的研究还很缺乏。如关于连续电流阶段放电通道内的温度特性参数目前鲜有报道,而温度是研究闪电连续电流放电通道物理特性所必需的基本参量,也是预防连续电流引起的雷电灾害事故所关心的参数。依据由无狭缝高速光谱仪观测的一次云对地闪电首次回击后叠加三个M分量的连续电流过程的光谱资料,分析了整个放电过程中光谱的演化特征,计算了连续电流放电过程电流核心通道和外围电晕通道的温度,研究了两者随通道高度的变化特性。结果表明,在初始回击阶段,通道的光辐射主要是激发能较高的一次电离的氮离子辐射,在之后连续电流阶段,通道的光辐射则主要是激发能较低的中性氮、氧原子辐射。离子线辐射在回击初期时最强,氢Hα线和红外波段的中性原子线在M1时最强,连续谱在M2时最强。近红外波段的四条线OⅠ 777.4, NⅠ 746.8, 821.6和868.3 nm在整个放电过程都可以被观测到。在连续电流阶段,电流核心通道温度为42 060～43 940 K,比相应回击核心通道温度高6 020～7 900 K;外围电晕通道温度为16 170～20 500 K;通道核心温度和电晕温度均随时间变化不大;通道核心温度随通道上升呈减小趋势,而外围电晕温度随通道上升呈增大趋势。     

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     

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.     

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。     

广东沿海地区闪电通道的温度特性研究

在广东沿海地区,用无狭缝光栅摄谱仪获得了云对地闪电回击过程的光谱。经过光谱特征分析和谱线辨认,依据测得的谱线相对强度以及多组态Dirac-Fock方法得到的谱线跃迁参数,采用多谱线法,对每个闪电回击通道不同高度处的温度进行了定量计算。结果表明,强闪电放电过程对应的通道温度较高;分析通道不同高度处的温度值,发现对大多数闪电,同一回击通道随高度的增加温度略呈减小趋势;与青海高原相比,广东沿海地区强闪电较多, 光谱上激发能高的一次电离氧离子的跃迁谱线明显增多。     

一次空中触发闪电通道光谱分析

利用无狭缝光谱仪获得了一次空中触发闪电过程中400～660 nm的发射光谱,对空中触发闪电小回击和上行正先导通道的发射光谱进行了分析,讨论了人工触发闪电导线通道与空气通道光谱的差异,发现导线段通道光谱持续了约140 ms,而空气段通道仅持续了0.167 ms;结合Fe,N,O等元素的电离能、激发能,给出了导线通道亮度强、持续时间长的原因。在电流强度相同的情况下,人工触发闪电通道的导线段有更多的粒子被激发,能产生更多的光谱辐射,导线段通道的亮度远强于空气段,导线段通道的光谱强度也远强于空气段;在随后的等离子体通道消散阶段导线段闪电通道的复合反应持续时间也更长。通过对小回击以及上行正先导导线通道上部、下部空气段光谱结构以及通道温度等参数与广东地区自然闪电特征谱线及温度等参数的比较,发现小回击通道光谱主要由NⅡ离子低激发态之间的跃迁组成,具有NⅡ 444.7 nm,NⅡ 517.9 nm,NⅡ 616.8 nm等广东地区一般强度自然闪电的特征谱线。上行正先导下部空气段通道具有高激发能的谱线开始消失,出现了H_α,H_β,OⅠ 615.8 nm等激发能较低的谱线,具有闪电回击后期的光谱结构。小回击通道以及上行正先导通道下部空气段温度分别为21 000和20 000 K,通道温度低于自然闪电温度。     

一次人工触发闪电通道光谱结构分析

用无狭缝光谱仪获得了广东地区一次人工触发闪电首次回击过程的发射光谱,同时测量了回击电流峰值为18.3kA,回击持续时间为4.5ms。发现导线部分通道的发射谱线中存在407.5,419.0,425.3和517.9nm等激发能比较高的谱线,具有强闪电通道发射光谱的谱线结构,空气部分则具有弱闪电通道的谱线结构;导线部分与空气部分的基本谱线的相对强度差别较小,强闪电特征谱线相对强度相差非常大。通过对导线部分与空气部分谱线激发能等参数的分析,发现回击开始时,导线部分先导通道还未完全消失,回击脉冲电流对先导闪电通道等离子体进行了进一步激发,增加了等离子体的温度和密度,使得导线部分具有较高激发能的谱线被完全激发,相对于空气部分407.5,419.0,425.3和517.9nm等谱线的强度有较大程度的增加,造成导线部分通道与空气通道两种不同的光谱结构。通过光谱分析,获得了闪电通道不同部分的温度、电子密度等参数,发现导线部分通道的辐射特性不同于空气通道是导线部分通道发光亮度与电流相关性较差的原因。     

广州塔闪电光谱特性分析

利用广州高建筑物雷电观测站获得的600 m高广州塔上一次闪电3个回击放电过程的光谱资料,详细分析了广州塔上闪电光谱随时间的演化和随高度的变化特性,并通过对比实测的一组氮原子（NI）[856.8 nm, 859.4 nm, 862.9 nm]多重态的谱线强度比和理论计算值之比,验证了闪电近红外光辐射满足光学薄条件。结果表明：3个回击放电通道约在200 m以下发光较强;在回击放电初期,当向上传输的电流波还未到达通道顶部时,底部通道径向辐射光谱由较强的离子线和较弱的中性原子线组成,而通道顶部径向辐射光谱主要取决于下行先导,由较弱的离子线和较强的中性原子线组成;当回击电流波向上传输到通道顶部后,整个通道径向辐射出很强的离子线和很强的中性原子线,且离子线总强度和原子线总强度均随通道高度的增加而减小;在回击放电70μs以后,200 m以上通道离子线总强度和原子线总强度随通道高度的增加基本保持不变。此观测结果也直接证实了闪电放电通道由一个辐射离子线的高温核心和一个辐射中性原子线温度相对较低的外围电晕组成。     

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...     

闪电过程中电磁辐射功率的变化特征

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。     

连续辐射谱法计算闪电通道电子温度

基于连续辐射理论,得到连续辐射能量与等离子体电子温度的关系式。依据青海地区一次强地闪回击过程的光谱,从中分离出连续辐射强度,对其吸收特征进行分析以减小吸收带来的计算误差。通过对连续谱强度的曲线拟合得到闪电放电通道电子温度,温度峰值为29 800 K,温度下限为16 200 K,由同一波段光谱中的O Ⅰ线和N Ⅱ线分别拟合了电子温度。比较结果发现：由连续辐射得到的闪电通道电子温度从高温向低温过渡,高温值与离子线信息获得的闪电核心电流通道处的温度符合较好,而低温则与原子线计算的结果接近,反映了外围电晕发光通道的温度。所以,依据连续谱得到的结果能更全面地反映温度沿通道径向的分布。对于闪电热等离子体通道,连续谱法提供了一种计算闪电放电通道电子温度的新途径,对地闪回击研究有一定的意义。     

土壤含盐量与电导率的高光谱反演精度对比研究

探明土壤盐渍化的高光谱遥感监测机理,对改善高光谱遥感监测精度具有重要意义。以南疆地区温宿县、和田县、拜城县的水稻土为研究对象,通过分析土样的高光谱数据和室内测定的盐分与电导率数据,研究了耕作土壤含盐量与电导率的关系,并比较了含盐量和电导率与不同光谱指标的相关性以及二者高光谱反演的精度。结果表明,南疆水稻土的含盐量与电导率的相关性较低,二者之间的关系因地区差异而有较大的变化;含盐量与反射率、一阶微分、连续统去除之间的相关性要优于电导率,特别在一些土壤盐渍化的敏感波段尤为突出;以含盐量建立的多元线性回归、主成分回归、偏最小二乘回归模型的决定系数和相对分析误差均高于电导率。研究表明高光谱信息对土壤含盐量的响应比电导率更敏感,以含盐量为监测指标的高光谱反演精度明显要优于电导率。该结果可为提高土壤盐渍化高光谱遥感监测精度提供理论依据。