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。     

闪电等离子体连续光谱轮廓形成机理研究（英文）

利用光谱范围为400～1 000 nm的无狭缝光栅光谱仪记录了云对地闪电放电光谱,在可见光谱的低频段观测到丰富的一价氮离子谱线,没有明显观测到其他重要的离子谱线。闪电通道内大量电子在电场作用下向地面倾泻使通道快速加热,沿通道径向温度降低,通道表面附近氮离子与电子的相互作用增强从而产生连续辐射。闪电的连续辐射机制主要包括轫致辐射和复合辐射,对应于氮离子与自由电子的库仑碰撞和对自由电子的捕获。当等离子体温度低于10 000 K时,轫致连续辐射谱为平坦谱,其对连续谱在可见光范围内的轮廓特征没有明显影响。复合辐射方面,以类氢离子经典辐射理论为基础,引入非类氢的复杂离子近似计算方法,用Gaunt因子进行量子力学修正,分析氮离子的复合辐射过程。据此导出连续光谱复合辐射系数与波长的函数关系,由关系式绘制氮等离子体连续辐射光谱的特征曲线,与闪电连续光谱观测结果进行比较,发现等离子体表面电子温度与连续辐射光谱谱峰的位置密切相关;引入氮离子的有效核电荷数Z*对连续谱的阶跃特征和谱翼展宽特性有显著影响。对比发现,当Z*为3时,理论曲线与连续光谱的轮廓特征高度一致。Z*的取值范围由离子种类决定,有效荷电荷数Z*能很好地解释闪电等离子体在给定波长下连续光谱的阶跃特征。     

Z箍缩Al等离子体X辐射谱线的分离及电子温度的提取

以"强光一号"Z箍缩装置10174发次光谱诊断实验结果为例,描述了一种对Z箍缩等离子体X辐射光谱分离提纯、诊断的方法.对连续辐射谱和特征辐射线谱进行分离,并从连续辐射谱和特征辐射线谱中提取了等离子体电子温度信息.结果显示:等离子体连续谱主要由等离子体中心的高温区(Te=290.7 eV±1.2 eV)和温度较低的壳层区域(Te=95.3 eV±8.3 eV)两部分叠加而成;特征辐射线谱主要反映了等离子体中心的高温区信息,根据非局域热动平衡模型计算提取的电子温度约为299—313 eV,与连续谱诊断结果基本符合.     

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。     

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。     

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。     

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.     

依据不同波段光谱诊断闪电回击通道温度

利用高速无狭缝光栅摄谱仪捕获到的一次闪电光谱资料,结合等离子体光谱理论,选用不同波段的光谱信息估算了闪电回击通道温度.结果表明:用不同波段的谱线组—单电离氮原子(NII)、中性氧原子(OI)和中性氮原子(NI),基于玻尔兹曼图法估算的闪电回击通道平均温度分别为43270 K,17660 K和17730 K;同时用NII和NI两个谱线组,基于萨哈-玻尔兹曼图法估算得到的闪电回击通道平均温度为24770 K.依据闪电通道电晕鞘模型和光谱辐射理论推断,单独选用NII谱线组获得的温度应该是闪电回击通道核心的温度,单独选用NI或OI谱线组获得的温度应该是围绕在闪电回击通道核心周围电晕鞘的温度;同时选用NII和NI谱线组,获得的温度应该是在曝光时间内整个通道截面(包括通道核心和电晕鞘)的平均温度.     

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。     

闪电放电通道等离子体成分及相关特性的研究

以无狭缝摄谱仪获得了青海和西藏地区的云对地闪电回击过程的光谱,依据谱线波长和相对强度等信息,结合等离子体相关理论,得到了放电通道温度和电子密度;在此基础上,根据Saha方程、电荷守恒方程和粒子数守恒方程计算了闪电通道主要元素各级电离的离子数密度,进而得到通道质量密度、压强及平均电离度, 并分析了不同强度闪电放电通道的电离度、粒子数密度及其分布特征。结果表明：回击通道接近于完全电离,一次电离离子占主要地位,且NⅡ离子数密度最高;不同强度的闪电放电通道中,NⅡ和OⅡ离子的相对浓度值变化不大;计算过程中考虑带电离子间库仑相互作用以后,原子电离能的计算值降低,中性原子以及一次电离离子数密度的计算值变小,高次电离离子数密度的计算值变大。     

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。     

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.     

一次强云对地闪电首次回击过程的光谱分析

利用无狭缝光栅摄谱仪, 获得了一次强云对地闪电首次回击过程400～600 nm范围的光谱, 将原子结构的理论应用于闪电光谱的研究, 用多组态Dirac-Fock方法, 计算了有关光谱线的波长﹑振子强度以及相应的激发态能量等参数, 并重新辨认了波长为419.0和425.3 nm的谱线. 结合相应的光谱跃迁参数和电学观测资料对试验光谱进行了分析, 并发现, 回击通道的光谱结构及特性与闪电放电的强度密切相关, 在强闪电回击过程中, 激发能量较高的OⅡ离子谱线增强. 根据光谱特征推断, 强闪电回击通道的峰值温度应高于过去的估算值.     

闪电通道温度诊断中观测距离的影响

利用无狭缝光栅摄谱仪获得了青海高原地区云对地闪电首次回击过程的光谱,运用比尔-朗伯定律,考虑传播过程中谱线强度的衰减,计算讨论了观测距离对通道温度诊断结果的影响.结果表明,不同观测距离下得到的光谱诊断放电通道温度,其结果有一定差异;远距离观测得到的温度小于近距离观测的结果;观测距离越远,所得温度的误差越大.因此,在远距离观测的情况下,修正更为重要.由计算结果,得到了温度修正的半经验公式,由此,可以扣除观测距离对闪电通道温度诊断结果的影响.