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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。     

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。     

自约束球形等离子体的平衡与稳定性

本文用磁流体力学的概念,解释并证实了在环境压力P₀中确可存在平衡且稳定的球形等离子体。同时发现在自约束的等离子体平衡态不可能是无力场位形。还证明自约束的球状等离子体平衡态不唯一。计算结果表明,等离子体火球内部的压力P小于环境压力P₀,与球形马克的磁场形态比较后发现自约束等离子体火球中的磁轴向中心偏移约10％,磁场的剪切稍弱。用Mercier判据可初步得知自约束球形等离子体平衡态是关于局域模稳定的。 关键词：     

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     

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.     

射频感应等离子体制备球形氧化铝的工艺研究

采用射频（RF）感应等离子体对颗粒形状不规则的氧化铝粉作球化处理,当氧化铝以极短暂时间快速穿越射频等离子体炬时,颗粒因受热而熔化成液滴,快速冷却,形成球形固态颗粒。应用单因素法讨论射频等离子体制备球形氧化铝的工艺参数,研究了制备过程中相关的中气流量、抽风负压、送粉速度和分散方式等主要工艺参数对球形氧化铝粉的影响。用电子扫描显微镜（SEM）观测评估球化效果,测定松装密度和振实密度。     

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．     

射频感应等离子体制备球形氧化铝的工艺研究

采用射频(RF)感应等离子体对颗粒形状不规则的氧化铝粉作球化处理,当氧化铝以极短暂时间快速穿越射频等离子体炬时,颗粒因受热而熔化成液滴,快速冷却,形成球形固态颗粒。应用单因素法讨论射频等离子体制备球形氧化铝的工艺参数,研究了制备过程中相关的中气流量、抽风负压、送粉速度和分散方式等主要工艺参数对球形氧化铝粉的影响。用电子扫描显微镜(SEM)观测评估球化效果,测定松装密度和振实密度。     

射频感应等离子体制备球形钛粉的工艺研究

采用单因素法对制备球形钛粉的工艺进行研究,通过控制和调节射频等离子体工作的阳极电流与电压、中气流量、边气流量、粉体携带气流量、抽风负压和钛粉送粉速率等参数,以获得制备球形度较佳的钛粉工艺参数。通过射频感应等离子体对粒度为(17.02.0) m的钛粉球化处理研究,制备出球形度好、球化率高、表面粗糙度低的钛粉,钛粉球化率随着抽风负压增加而增加,当抽风负压大于1 800 Pa时,钛粉的球化率随着抽风负压的增大迅速降低;同样钛粉球化率也随着钛粉送粉速率增加而增加,当钛粉送粉速率大于90.0 g/min时,钛粉的球化率随着钛粉送粉速率的增大而迅速降低。     

层流等离子体制备球形氧化铝粉末的实验研究

为研究非转移弧层流等离子体制备面向新材料领域的μm级球形氧化铝粉末的能力,使用自制的非转移弧分段式阳极层流等离子体球化设备,以载气送粉的方式,对η相的不规则μm级三氧化二铝粉末进行等离子体球化处理,并采用均匀设计法,研究等离子体发生器和送粉器不同的工作参数对氧化铝粉末球化率的影响规律。结果表明,实验所采用的直流非转移弧层流等离子体发生器能有效制备球化率接近100%的高球化率球形氧化铝粉末。实验发现,高球化率、高分散性和粒径大小均匀的球形氧化铝粉末可在不同工艺参数组合下制备,并证明了采用非转移弧分段式阳极层流等离子体发生器可实现较低功率下制备较高球化率球形氧化铝的可行性。实验还通过XRD与PDF卡片索引技术对球化前后的氧化铝粉末进行了物相定性分析,发现η相的氧化铝粉末经射流作用转化成了Corundum型的氧化铝粉末。     

A proposed experiment on ball lightning model

We propose an experiment for strong light amplification at multiple total reflections from active gaseous media.     

On the possibility of phosphenes being generated by the energetic radiation from lightning flashes and thunderstorms

After the first report of this phenomenon by Apollo 11 astronauts, experiments conducted in space and on the ground confirmed the creation of phosphenes by the interaction of energetic radiation with the human visual system. The aim of this Letter is to show that the energetic radiation generated in the form of X-rays, gamma rays, electrons and neutrons by thunderstorms and lightning is strong enough for the creation of phosphenes in humans. It is also pointed out that some of the visual observations reported during thunderstorms might be attributable to phosphenes excited by this energetic radiation.     

闪电的分形特征研究及其在自动识别中的应用

利用2009年夏季青海地区的快电场变化测量仪的野外观测资料, 对120例地闪和77例云闪辐射场信号的分形特征进行了深入研究, 结果表明地闪辐射场信号的分形维数与云闪辐射场信号的分形维数有明显的差别, 再利用闪电的分形维特征, 构造了5个特征值, 将其作为支持向量机的输入进行地闪和云闪不同放电类型的识别, 有效识别率达到95%以上; 通过构造地闪辐射场时间序列信号的分形维数轨迹图表明分形维数最低点对应于原时间序列的回击位置, 利用分形维数轨迹中的最低点的位置能够快速准确地对地闪辐射场信号的回击点进行检测, 检测率可达到100%. 分形维是闪电的一种具有鉴别性的特征, 可用于闪电的智能分析与自动化处理. 关键词： 闪电信号 分形维数 支持向量机 自动识别     

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     

3维电介质击穿模型在雷电防护系统评估试验中的应用

采用荷电圆盘雷云解析模型作激励源,利用电介质击穿模型进行了地闪先导放电高分辨力3维数值模拟,得到了50 m分辨力的地闪放电图样与先导近地500 m时的地面电场分布（峰值-164.9 kV·m-1）,结果与实际观测值相符。模拟中通过高维样条插值实现了计算空间与评估区域的分辨力转换（50 m到1 m）,构建评估模型,可以进行雷电防护系统的数值评估试验。用该方案对一种雷电防护系统概念模型进行了试验,结果显示：系统10 m高、-1.5 MV激励的条件下,5 m高处的雷击概率以系统为中心随距离增加而增大,系统投影区域雷击概率为0;由于先导激励地面电场的非对称性,保护区范围各向分布极不均匀。通过此方案可以得到系统作用下精细的雷击概率分布,适用于雷电防护系统效能评估。     

微波共振探针及其在等离子体诊断中的应用

介绍了能够测量稳定和时变等离子体电子密度的微波共振探针,给出了其工作原理和在测量稳定、时变和瞬态等离子体电子密度中的应用。分析了传输模式和反射模式的工作过程及对测量范围、测量精度和空间分辨率等影响因素。结果表明,选用较长的探针有利于提高电子密度的测量范围和精度;选用的微波扫频源高端频率越高,频率分辨率越高,则电子密度的测量范围越大,测量精度越高。理论分析得出系统可测量的电子密度约为1.37×10⁸~4.1×10¹¹cm^-3。     

3维电介质击穿模型在雷电防护系统评估试验中的应用

 采用荷电圆盘雷云解析模型作激励源,利用电介质击穿模型进行了地闪先导放电高分辨力3维数值模拟,得到了50 m分辨力的地闪放电图样与先导近地500 m时的地面电场分布（峰值-164.9 kV·m_-1）,结果与实际观测值相符。模拟中通过高维样条插值实现了计算空间与评估区域的分辨力转换（50 m到1 m）,构建评估模型,可以进行雷电防护系统的数值评估试验。用该方案对一种雷电防护系统概念模型进行了试验,结果显示：系统10 m高、-1.5 MV激励的条件下,5 m高处的雷击概率以系统为中心随距离增加而增大,系统投影区域雷击概率为0;由于先导激励地面电场的非对称性,保护区范围各向分布极不均匀。通过此方案可以得到系统作用下精细的雷击概率分布,适用于雷电防护系统效能评估。     

一次人工触发闪电上行正先导的传输特征

利用山东一次人工触发闪电的高速摄像和30 m, 60 m和480 m的同步电场测量, 清晰显示了人工触发闪电上行正先导的传输特征.上行正先导头部光强相对较强, 二维发展速度变化波动较大并呈现明显不规则性,表明上行正先导发展具有明显的梯级特征. 在先导开始阶段从340 m到705 m高度之间上行正先导平均发展速度为9.8×10⁴ m/s,起始速度是 3.8×10⁴ m/s,局部速度总体上随高度呈现增加趋势.电场变化在近距离产生有规律的梯级状 变化,记录到的28个梯级相邻梯级间隔变化从14 μs 到 39 μs,几何平均值为25.1 μs. 估计的先导梯级长度分布在0.9 m到3.7 m,几何平均值为1.7 m.先导电场变化由慢的正向梯级状变化和 脉冲变化组成,结合光学和电场变化测量结果,得出正先导头部通道发生弯曲可使其电场变化的梯级特征减弱 或消失;正负先导梯级形成机制可能类似,均由其先导头部前端的双向流光发展而来.     

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.