閃電首次回擊過程中通道溫度與電導率的演化特征

張國強, 袁 萍, 岑建勇, 王雪娟, 王瑞燕

(西北師范大學物理與電子工程學院, 甘肅省原子分子物理與功能材料重點實驗室, 蘭州 730070)

閃電首次回擊過程中通道溫度與電導率的演化特征

張國強, 袁 萍, 岑建勇, 王雪娟, 王瑞燕

(西北師范大學物理與電子工程學院, 甘肅省原子分子物理與功能材料重點實驗室, 蘭州 730070)

利用以高速攝像機為記錄系統組裝的無狹縫攝譜儀,在青海地區獲得了多次云對地閃電首次回擊過程400-900 nm波長范圍的時間分辨光譜,分別計算了閃電電流核心通道和外圍發光通道的溫度;結合空氣等離子體的傳輸理論,獲得了閃電通道的電導率,探討了回擊過程中通道溫度及電導率的演化特征.結果表明,閃電電流核心通道的溫度比外圍通道高約5000-7000 K,并且,與以往關于通道峰值溫度持續時間的觀點不同,回擊過程中,通道保持高溫的時間遠遠大于峰值放電電流存在的時間,在回擊電流緩慢減小的數百微秒內,核心電流通道維持20000 K以上高溫,這一特性是熱效應導致雷電災害的主要根源.

閃電光譜; 溫度和電導率; 空氣等離子體的傳輸理論; 時間演化

1 引 言

閃電放電的瞬間高電流和強電磁輻射導致的危害一直是人類關注的問題,閃電通道物理特性是雷電防護和預警的理論基礎[1,2].溫度[3-6]和電導率[7-9]是反映閃電通道物理特性的基本參數,對研究閃電放電特性及能量的傳輸和分布、探討放電過程的物理機制都有重要意義.Orville[10,11]和Uman[12]最早通過閃電光譜分析獲得了通道溫度.Xu等[13]初步分析了多回擊閃電放電中各次回擊的通道峰值溫度的變化特性.Borovsky[14]計算了閃電等離子體溫度在10000-20000 K時的電導率;Jagdish RAI[15]依據回擊通道的電流和傳輸的能量,運用完全電離氣體理論計算了電導率;Uman[16]通過精確求解Boltzmann方程計算了閃電通道溫度接近峰值為2.40×104K時的電導率.Chang等[17]利用閃電光譜研究了閃電通道電導率、熱導率和熱擴散系數沿通道的變化.以往基于閃電光譜的工作只限于單獨對可見或紅外波段光譜的觀測研究,另外,由于受光譜儀時間分辨率的限制,得到高時間分辨的閃電光譜具有一定的難度,目前為止,關于單次回擊過程中通道溫度及電導率隨時間演化的研究報道還非常少.本文利用四次閃電的首次回擊過程時間分辨的多張光譜,計算了閃電通道的溫度、電導率,分析了這些參量隨時間的演化特征.

2 理論方法

2.1 閃電通道溫度的計算

在局部熱力學平衡(LTE)條件下,通道溫度[18]和光譜線躍遷參數的關系為

(1)

其中,I是譜線的相對強度,λ是波長,g是統計權重,A是躍遷幾率,E是上激發能,k是玻爾茲曼常數,T是溫度,c是常數,計算中選取同種元素的離子或原子的多條譜線,以ln(Iλ/gA)的值為縱坐標,E為橫坐標進行線性擬合直線,由直線的斜率求出溫度.

2.2 閃電通道電導率的計算

電導率是描述閃電放電通道的輸運特性的參數之一,結合空氣等離子體的傳輸理論[19-21],可表示為

(2)

上式中,qmp元取決于通道電子密度、粒子數密度以及碰撞積分[22].

3 資料分析

資料分析選取了在青海地區獲得的四次首次回擊過程的高時間分辨光譜.光譜由無狹縫光柵攝譜儀獲得,其記錄系統是高速攝像機,記錄速度為每秒9110-13880幀,分光裝置是每毫米600條的光柵,波長范圍為400-900 nm[23].

原始光譜是閃電云外全通道分光的圖片,可以轉化為用相對強度表示的光譜圖.圖1是四次閃電首次回擊(R0)不同時刻的光譜,為方便起見,四次回擊分別用A(14:56:27)、B(17:06:33)、C(15:38:59)、D(15:49:43)表示,每個回擊的第一張光譜都記為0時刻.四個回擊能夠持續記錄到光譜的時間為288-768微秒.可以看出,不同閃電首次回擊的光譜都是由可見和近紅外波段的光譜線組成.可見光譜范圍內主要是NII離子的譜線,近紅外光波段的譜線主要是NI、OI、HI原子輻射的貢獻,回擊過程中,光譜結構和強度都有明顯的變化.較強的離子線只出現在回擊初期的幾十微秒內,之后,離子線強度迅速衰減;另外,整個回擊過程的光譜中,始終有較強的近紅外波段的原子線.有關閃電放電電流波形的研究表明[24],回擊電流通常在幾微秒內達到峰值,大多數在30微秒內到半峰值,之后緩慢減小,電流持續時間一般可達數百微秒.由電流波形特征的研究結論和通道發光特性推斷,圖1給出的光譜應該對應于回擊電流從峰值減小的過程,每個回擊以0時刻標記的光譜中包括了峰值電流階段的信息.由于設備時間分辨率的限制,目前還無法得到電流快速上升至峰值過程的時間分辨光譜.

圖2給出了閃電首次回擊過程中光譜總強度以及閃電原通道亮度隨時間的演化,其中,閃電A、D沒有拍到原放電通道.依據光譜儀所用平面光柵的分光原理,光源發光強度與光譜背景和譜線強度的總和正相關,即:在相同的觀測距離和曝光參數下,閃電通道的發光強度與光譜總強度呈正比.圖2(B)、(C)可以看出光譜總強度與通道亮度隨時間的演化規律有很好的一致性.

A:14:56:27(R0)

B:17:06:33(R0)

C:15:38:59(R0)

D:15:49:43(R0)圖1 用譜線相對強度表示放電通道的光譜圖Fig. 1 Spectral graphs of lightning discharge channel represented by relative intensity

圖2 光譜總強度與亮度隨時間的變化(A)閃電(14∶56∶27)；(B)閃電(17∶06∶33);Itotal-光譜總強度,L-亮度;(C)閃電(15∶38∶59);Itotal-光譜總強度,L-亮度;(D)閃電(15∶49∶43)Fig. 2 Total intensity of spectra and lightness varying with time (A)Lightning (14∶56∶27);(B)Lightning (17∶06∶33);Itotal-total intensity,L-lightness;(C)Lightning(15∶38∶59);Itotal-total intensity,L-lightness;(D)Lightning(15∶49∶43)

以往關于閃電光譜的工作由于光譜儀記錄系統相關參數的限制,一次記錄的光譜波長范圍較小,不能同時觀測到可見和近紅外波段的譜線.閃電通道溫度的計算也是分別依據可見范圍內NII離子譜線或近紅外波段的原子線強度及躍遷參數.本工作將光譜觀測范圍擴展到400-900 nm,從圖1可以看出,在整個回擊過程的光譜中,都記錄到了很強的近紅外波段NI、OI原子的譜線,它們對應躍遷上激發態的能量大多數在10-14 eV,而NII離子線對應躍遷上激發態的能量大多數在20-23 eV.由譜線結構及其激發能的特征推斷,原子線和離子線應該是沿通道徑向不同位置處的貢獻,離子線主要來自核心電流通道,而原子線應該主要是外圍通道輻射的貢獻.有關閃電通道半徑的研究也證實,光學觀測得到的可視直徑遠大于閃電核心電流通道的直徑.依據NII離子譜線計算的溫度應該反映的是電流核心通道的狀態[25],而通過原子線計算得到的是外圍發光通道的溫度.

依據(1)式分別用NII離子、OI原子的多條譜線計算了相應的通道溫度.由于離子線強度迅速衰減,除閃電A,其余3個回擊都只計算了回擊初始時刻閃電核心通道的溫度.閃電通道的電導率由(2)式得出.表1列出了首次回擊中不同時刻的特性參數,其中t為演化時間,Ti為利用離子譜線計算所得的溫度,Ta為利用原子譜線計算所得的溫度,σ為核心電流通道的電導率.

表1 四次閃電首次回擊中不同時刻的物理特性參數

Orville等人[10]依據閃電回擊光譜中NII離子譜線的強度報道的通道峰值溫度為26000 K-31000 K.Orville和Henderson[26]利用中性原子譜線777.4/794.7 nm(OI)和844.7/794.7 nm(OI)計算得到通道溫度為13,000 K-17,000 K;Weidman[27]等人研究了人工觸發閃電在近紅外波段的光譜輻射特性,根據中性原子譜線868.0/1011.3 nm(NI)推得的通道平均溫度為16,000 K.表1中,由NII離子譜線計算的核心電流通道的溫度在25000-28000 K之間,由OI線得到的外圍通道溫度在18000-23000 K.表1中,本工作得到的閃電放電通道的電導率平均為1.94×104S/m.Uman[28]得到的閃電回擊通道峰值溫度為24000 K時,通道電導率為1.80×104S/m;Rakov[29]得到在溫度不低于30000 K時,回擊通道電導率的數量級為 104S/m.此外,Gorin等[30]在實驗室測得:當溫度在20000-40000 K時,長火花放電等離子體的電導率為1.0×104S/m～5.0×104S/m.表1給出的電導率均在這個范圍中.

放電通道的溫度主要取決于電流的熱效應,另外也與徑向的能量傳輸有關.圖3給出了閃電核心通道以及外圍通道溫度隨時間的演化.可以看出,整個回擊過程中,外圍通道溫度一直維持20000 K左右高溫,隨時間略有減小.核心通道的溫度比外圍通道高約5000-7000 K.另外,從圖1(A)的光譜可以看出,閃電A在109 μs的NII離子線強度比0 μs時減弱許多,但由于譜線間的相對強度變化不大,所以,計算得到的核心通道溫度與0時刻(峰值電流階段)相比沒有降低.結合外圍通道的溫度演化特征可以推斷:峰值電流之后,通道溫度不會隨之迅速降低.即:通道保持高溫的持續時間遠遠大于回擊峰值電流的持續時間.這一結論與以往提出的通道溫度僅在放電峰值電流階段出現峰值、之后迅速降低的觀點不同[31].從理論上解釋,通道維持高溫是放電電流熱效應的作用結果.回擊初期,放電通道在電流達到峰值的幾微秒內從接近室溫升高到20000-30000 K,之后的數百微秒內,雖然電流逐漸減小,由于其持續作用,仍然可以使通道保持高溫.這種持續高溫產生的熱效應應該是導致相關雷電災害的主要根源.

圖4為四次首次回擊過程中通道的電導率隨時間演化的變化特征.可以看出,與閃電通道溫度的變化基本一致,整個回擊過程中通道處于高導電狀態.隨著時間的演化,云中大量電荷被中和,相應的電場逐漸減小,所以,回擊電流也隨之逐漸減弱.

圖3 溫度隨時間的變化(A)閃電(14:56:27);(B)閃電(17:06:33);(C)閃電(15:38:59);(D)閃電(15:49:43)Fig. 3 Temperature varying with time(A)Lightning(14:56:27);(B)Lightning(17:06:33);(C)Lightning(15:38:59);(D)Lightning(15:49:43)

圖4 電導率隨時間的變化Fig. 4 Electrical conductivity varying with time

4 結 論

依據時間分辨的閃電光譜,計算、探討了首次回擊過程中放電通道的溫度隨時間的演化特征.結果發現,在整個回擊過程中的數百微秒內,通道維持20000 K以上的高溫.這一結論對進一步研究森林火災等熱效應導致的雷電災害的防護有重要的參考意義.

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The evolution properties of channel temperature and conductivity during the lightning first return strokes

ZHANG Guo-Qiang, YUAN Ping, CEN Jian-Yong, WANG Xue-Juan, WANG Rui-Yan

(Key Laboratory of Atomic and Molecular Physics and Functional Materials of Gansu Province, College of Physics and Electronic Engineering, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China)

The time-resolved spectra in the range of 400-900 nm for the first return strokes of could-to-ground lightning return stroke process were obtained by a slit-less spectrograph with a high-speed camera as recording system at the Qinghai plateau of China.The temperatures of the lightning core current channel and peripheral light channel have been calculated respectively; Combining with the transport theory of air plasma, we have obtained the electrical conductivity in discharge channel, and discussed the evolution characteristic of channel temperature and the electrical conductivity.The results show that the lightning core current channel temperature is about 5000-7000 K higher than the peripheral light channel temperature.In the return stroke process, the time of keeping the high temperature in the channel is far greater than the exist time of the peak discharge current,the temperature of the lightning core current channel keeps maintaining above 20000 K continuously with the return current decreasing slowly in the hundreds of microseconds.And this characteristic is a major cause of thermal effect which leads to the lightning disaster.

Spectra of lightning; Temperature and electrical conductivity; The transport theory of air plasma; Time evolution

103969/j.issn.1000-0364.2015.12.028

2015-04-27

國家自然科學基金(11475139,11365019)

張國強(1989—)，男,甘肅省天水市甘谷縣人,碩士研究生,主要研究領域為大氣環境中的原子與分子過程．

袁萍. E-mail: yuanp@nwnu.edu.cn

0433.4

A

1000-0364(2015)06-1078-07