球状闪电与等离子体的约束

 一、雷电与球状闪电人们知道在雷阵雨天气经常会出现雷电,这是由于云层间或云地间的电荷瞬间放电造成的。雷电往往给人们恐怖威严之感,一方面它会给自然界和人类环境造成一定的破坏,有时会毁坏建筑、引起火灾甚至造成人员伤亡,自古以来人们就渴望对它的本质进行认识,如今现代科技“防雷”已成为应用于许多领域的重要技术;另一方面雷电促进了降雨和植物生长,对有机物的合成及生命的起源起着特殊的作用,它也促进了人类对电现象本质的认识。雷雨云是所有云层中最厚的,其云层厚度可达10公里,由于云层内部重力浮力和空气对流的作用,云中大量带有正负电荷的微粒分离,在云中形成若干个正负电荷中心。     

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     

流动氩气放电系统中条纹斑图形成的实验研究

采用双水电极介质阻挡放电装置, 在大气压下流动氩气中产生了稳定的条纹斑图, 并采用拍照和电学方法对其产生机理进行了研究. 研究发现, 条纹斑图仅出现在外加电压较低的情况下, 在较高电压下放电会过渡到均匀模式. 低电压下的条纹斑图是由于放电丝沿着气流方向定向移动形成的, 该定向移动速度几乎与电压无关, 主要由气体流量决定. 分析发现放电空间中活性粒子的记忆效应对条纹斑图的形成起决定作用. 电学测量发现放电电流和放电的气隙起始电压都随着气流的增加而减小, 本文对这一现象进行了定性解释. 本文结果对斑图动力学研究和介质阻挡放电的工业应用都具有很重要的意义.     

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。     

原子观的演化

1 早期原子结构模型 1.1 电子的发现和汤姆孙模型 1.1.1 电子的发现 1897年英国物理学家汤姆孙(J.J.Thomson)在研究稀薄气体放电现象时,发现了一种比原子、分子小得多的带负电荷的粒子,接着人们通过实验又知道该粒子是一切原子的组成部分,这种粒子就是电子.电子的发现表明了原子不是不可分的最小粒子.这是为揭示原子内部结构所迈出的第一步.     

气流对氮气介质阻挡放电气体温度及放电模式的影响

利用光谱测量和高速照相的方法,对大气压氮气介质阻挡放电进行了研究.在气流的帮助下,2mm气隙中的均匀放电可以长时间得以维持.根据放电电流波形和1μs曝光时间的放电图像,这种均匀放电被判定为汤森放电.用氦氖激光器对实验中所用的光谱仪带来的谱线轮廓展宽进行了标定,并将得到的仪器展宽数据输入Specair软件,计算了不同气体温度下氮分子二正系0—2谱带的谱线轮廓.通过用计算谱线轮廓去拟合实验谱线轮廓,确定了氮分子的转动温度并将其近似为气体温度.结果表明:大气压氮气介质阻挡汤森放电并不能使气体温度大幅上升(ΔTg≤50K),气体温度的小幅上升不会引起热不稳定性而导致放电发展成为细丝放电.气流确实可以降低放电气体温度,但这不是使汤森放电得以维持的原因.通过比较加入气流前后的放电光谱可知,气流降低了气隙中杂质氧的含量,使得更多的氮分子亚稳态N2(A3Σu+)的寿命延长到下一次放电的起始时刻,为汤森放电提供了必需的大量种子电子.     

全球电路

 在晴天,接近地球表面处存在着一个垂直指向地面、大小为１００-３００Ｖ／ｍ的电场．这表明地球表面带有负电荷,而大气带有净正电荷．那么当一个人站在地面上是否在头部与脚底之间经受了一个２００Ｖ以上的电势差呢？回答显然是否定的．在日常生活中,这个电场所以并未引起注意是因为我们的躯体和身旁的许多物体（例如树杆等）比之于空气都是良导体,它们短路了电场,使我们感受不到它的影响．但是晴天大气电场是客观存在的．由于大气中存在着净正电荷,于是它们在晴天大气电场的作用下,形成方向垂直向下的晴天大气电流,将大气中的正电荷输送给地球表面,使全球大气携带的正电荷与地球携带的负电荷中和,造成晴天大气电场消失．     

人工触发闪电电流波形特征参数分析

通过分析在夏季强雷暴活动频繁的山东滨州地区连续4年人工触发闪电实验中所获得的闪电回击通道底部电流资料,结果表明人工触发闪电回击峰值电流几何平均值为14.6kA,电流波形10％—90%上升时间和30％—90%上升时间的几何平均值分别为2.3μs和1.8μs,相应上升陡度分别为4.7kA/μs和4.4kA/μs.波形半峰值宽度的几何平均值为17μs,回击1ms内转移电荷量的几何平均值为1.2C,回击电流作用积分的几何平均值为6.1×10³A²s.对比研究表明回击峰值电流与接地状况、回击电流波形的上升时间以及半峰值宽度之间没有明显相关性,但与电流波形上升陡度以及回击1ms之内转移电荷量之间存在相关性,回击峰值电流（I_p）与回击1ms内转移电荷量（Q）之间满足关系式：I_p=14.1Q^0.69.通过与自然闪电放电参数的对比分析表明,人工触发闪电回击过程与自然地闪放电的继后回击过程相似. 关键词： 人工触发闪电 地闪 闪电电流 回击     

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...     

等离子体科学技术应用专题系列介绍 第八讲 气体放电等离子体在薄膜技术上的应用

近年来,薄膜材料在国民经济和新技术各领域中发挥了重要的作用。它的迅速发展,无疑也和等离子体在薄膜技术中的广泛应用有关,气体放电等离子体中的高能带电粒子和中性粒子,有助于克服气相沉积化学反应的能障,影响其动力学过程,改变薄膜的结构和性能,从而得到用其它工艺难以制备的材料. 一、气体放电等离子体 气相沉积中采用的等离子体通常是用辉光、电弧、高频或微波、高压电晕等放电形式产生的,其共同特点是其正负电荷数大体相等,即存在宏观的电中性. 等离子体和气体类似,可用若干特征参数来描述.对于气体反应,分子平均自由程λ和它与反应…     

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。     

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。     

问题解答

问:雷声为什么隆隆不绝? 答:雷声隆隆不绝的原理,在过去的物理教科书或题解,以及教者的解释中,都认为是雷声遇着地面山岳和天空中的云层,起多次反射的音波,连续传到人耳,所以闻到隆隆不绝的雷声。我认为这一解释是错误的。如果认为是山岳和云层的多次反射形成隆隆之声,那就不仅雷声有这现象,即人为的在     

十八胺LB膜吸附组装金纳米颗粒研究

制备了十八胺单层、多层LB膜及粒径为几个纳米的金纳米粒子。pH值小于10.3时十八胺带正电荷,将其置于金纳米溶胶(pH值10.3)中,带负电荷的金纳米粒子与带正电荷的十八胺之间通过静电作用,金纳米颗粒被成功地吸附组装到十八胺LB膜中,形成纳米薄膜。紫外-可见光谱、红外光谱及扫描电镜显示:金纳米颗粒通过这种方法能够很好的组装在十八胺LB膜上,且其组装层整齐有序,同时也受十八胺LB膜层数及组装时间的影响。     

范德华作用和静电作用下的二元粒子自组装

采用简单粗粒化粒子模型,通过郎之万动力学模拟研究了具有范德华作用和静电作用的二元粒子自组装．研究发现,通过改变粒子尺寸和粒子间作用强度,二元粒子能够自发形成各种聚集结构,如球 形、堆叠层状与管状结构．利用两亲性分子或两嵌段聚合物自组装理论,解释了二元粒子聚集结构的形成规律．当向溶液中加入反电荷离子时,模拟表明粒子聚集结构在相图中的分布出现了明显偏移．     

雷击与闪电

 1.地球的电场要认识雷击与闪电,首先必须了解地球的电场。这个电场位于带负电(按计算总电量Ｑ=-9×10⁵库仑)的地球表面和带正电的高层大气之间,由于宇宙线和地球天然放射性的活动,造成了空气分子持续不断地电离而形成。电离产生的一部分电子向高层大气移动。在大约海拔高度50千米的高空,充满了大量的正电荷,这部分大气是一个导电性良好的球形导体。上升的电子将中和这个带正电的导体。与此同时,电离产生的一部分正离子亦会下降到带负电的地面而发生中和作用。由于电离产生的全球电流共约1800安培,地面和高层大气两者都应该在数分钟内放电。     

氧气空心阴极放电模拟

本文利用流体模型对气压为266 Pa的氧气环境下空心阴极放电的放电特性及不同粒子的生成损耗机制进行了模拟研究.模型中包含11种粒子和48个反应.在该模拟条件下,周围阴极所对应的负辉区产生重叠,表明放电中存在较强的空心阴极效应.计算得到了不同带电粒子与活性粒子的密度分布.带电粒子密度主要位于放电单元中心区域,电子和负氧离子O~-是放电体系中主要的负电荷,其密度峰值分别达到5.0×10¹¹ cm^-3和1.6×10¹¹ cm^-3;O₂~+是放电体系中主要的正电荷,其密度峰值为6.5×10¹¹ cm^-3.放电体系中同时存在丰富的活性氧粒子,并且其密度远高于带电粒子,按其密度高低依次为基态氧原子O、单重激发态氧分子O₂(a~1Δ_g)、激发态氧原子O(~1D)、臭氧分子O₃.对电子、O~-和O₂~+的生成和损耗的反应动力学过程进行了深入分析,同时给出了不同活性...     

风云四号卫星闪电成像仪虚警滤除方法

风云四号闪电成像仪(LMI)在轨数据分析结果表明,虚假闪电事件包括鬼像噪声、高能粒子轨迹噪声和散粒噪声。为了提高闪电探测性能,在深入分析虚假事件特性的基础上,分别提出了基于空间-能量相关性的鬼像滤除方法、基于Hough直线检测的高能粒子轨迹噪声滤除方法、基于时空相关聚类的散粒噪声剔除方法,并形成闪电虚警滤除处理系统方法。为了验证虚警滤除算法性能,对云南和海南的两次典型雷暴数据进行处理,并与地基网探测结果进行比对,结果表明,所提算法处理后的闪电事件分布特性与地基探测结果基本一致,验证了风云四号闪电成像仪对雷电变化过程的持续跟踪性能。     

环境气体种类对激光烧蚀粒子速度劈裂的影响

采用蒙特-卡罗(Monte Carlo)方法, 模拟了激光烧蚀粒子输运动力学过程, 在环境气体压强为100 Pa的情况下, 研究了环境气体种类(He, Ne, Ar和假想气体等)对烧蚀粒子速度劈裂的影响. 研究结果表明, 在四种环境气体中传输的烧蚀粒子均出现了速度劈裂现象, 形成速度劈裂所需时间按He, Ne, 假想气体和Ar的次序减小. 还研究了环境气体分子的质量和半径对烧蚀粒子速度劈裂的影响, 形成速度劈裂所需时间随环境气体分子半径(或质量)增大而减小. 在假想气体中, 两速度峰强度相等时的强度最小. 结合欠阻尼振荡模型和惯性流体模型, 对劈裂的形成时间进行了解释. 所得结论可为进一步定量研究纳米晶粒生长机理提供基础.     

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。