閃電連續(xù)電流的光譜分析及通道溫度特性研究

王雪娟，許偉群，化樂彥, 王海通，呂偉濤，楊 靜，袁 萍，張其林，張袁瞰

1. 南京信息工程大學氣象災害教育部重點實驗室/氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實驗室/氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心/ 中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室，江蘇 南京 210044 2. 中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京 100081 3. 中國科學院中層大氣和全球環(huán)境探測重點實驗室，北京 100029 4. 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, 甘肅 蘭州 730070

引 言

由于自然閃電發(fā)生的時空隨機性和瞬時性，光譜分析成為研究閃電放電通道內(nèi)部微觀物理特性的有效途徑。 隨著攝像技術(shù)的發(fā)展，尤其是高速攝像機的發(fā)展，近年來閃電光譜觀測取得了很大進展，不僅限于對回擊過程的光譜研究，也擴展到了對閃電其他放電過程的光譜研究，如先導、 連續(xù)電流和M分量。 Warner等[1]2011年報道了利用高速無狹縫攝譜儀觀測的閃電先導過程的光譜圖片。 高速攝譜儀是以高速攝像機為記錄系統(tǒng)，由于其高感光靈敏度、 記錄時長和拍攝速率，為連續(xù)電流和先導這些弱放電過程的光譜觀測提供了技術(shù)保障。 Xue等[2]2015年報道了利用高速無狹縫攝譜儀首次觀測到一次雙極性自然閃電兩次回擊放電后發(fā)生的長連續(xù)電流過程的光譜，定性分析了其光譜特征。 王雪娟等[3]2016年報道了連續(xù)電流過程的光譜特征與電場特征之間的相關(guān)性。

通常，存在連續(xù)電流過程的閃電被稱為熱閃電，這類閃電產(chǎn)生的危害是平常沒有連續(xù)電流閃電的好幾倍，所以研究閃電連續(xù)電流過程放電通道內(nèi)部的微觀物理特性參數(shù)至關(guān)重要。 尤其研究放電通道的溫度對預防連續(xù)電流引起的雷電災害事故可提供重要的科學依據(jù)。 Wang等[4]利用一次閃電首次回擊后連續(xù)電流過程疊加的三個M分量的光譜資料，與相應回擊對比，研究了M分量放電通道的溫度和電子密度特性。 但迄今為止，關(guān)于整個連續(xù)放電過程中通道內(nèi)部物理參數(shù)隨時間演化特性的研究工作還非常少。 本文利用由高速無狹縫攝譜儀觀測得到的一次閃電連續(xù)電流過程的光譜資料，依據(jù)等離子體理論，計算了閃電連續(xù)電流放電過程中電流核心通道和周圍電暈通道的溫度，研究了它們在整個持續(xù)放電過程中隨時間的演化特征，并分析了沿通道的變化。 為探討閃電連續(xù)電流過程的物理機制以及通道的電流傳輸特性都具有重要意義。

1 理論方法

將等離子體理論運用在閃電通道中，需建立以下兩個基本假設： (1) 閃電輻射光譜中的一些主要譜線，如一次電離的氮離子線(NⅡ)、 中性氮、 氧原子線(NⅠ和OⅠ)，滿足光學薄。 這已被Uman和Orville[5]研究證實。 (2) 通道滿足局域熱力學平衡狀態(tài)(LTE)。 研究表明[6]，閃電回擊通道內(nèi)各離子和電子達到準靜態(tài)平衡的時間在0.01 μs的量級。 因此，閃電通道可以近似利用LTE來描述。

基于以上基本假設，閃電單位立體角內(nèi)輻射的譜線強度可表示為[7]

(1)

式(1)中，h，k，ν，N0和g分別為普朗克常量、 玻爾茲曼常數(shù)、 譜線頻率、 基態(tài)粒子數(shù)和統(tǒng)計權(quán)重，Ei是i激發(fā)態(tài)原子或者離子具有的能量，Ai為電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)i的躍遷幾率，T為溫度。

將式(1)可改寫為

(2)

兩邊取常用對數(shù)，進一步可得

(3)

(4)

因此，選取同一元素的多條離子或者原子譜線，依據(jù)譜線相對強度I、 波長λ、 統(tǒng)計權(quán)重g、 躍遷幾率A、 激發(fā)能E，以E和ln(Iλ/gA)為橫、 縱坐標軸擬合直線，便可由直線斜率得到溫度。

2 資料分析及結(jié)果

由于閃電是一個窄而長的發(fā)光體，且觀測距離遠遠大于放電通道的直徑，因此在觀測試驗中，將閃電通道直接看作為有效狹縫，保證攝譜儀有充足的進光量，這樣便能夠清楚記錄到遠處的閃電光譜。 且所記錄的譜線形狀和原始放電通道的形狀一致，因此可以根據(jù)譜線外形研究各物理量沿通道的變化特性。 本資料是由無狹縫攝譜儀在青海大通拍攝到的一次云對地自然閃電首次回擊后的連續(xù)電流過程，持續(xù)時間約為60 ms[3]。 高速攝譜儀的記錄速度為6 500幀·s-1，分辨率為1 280×400。 所得光譜的波長范圍為400～1 000 nm，分辨率約為1.1 nm。

在此連續(xù)電流的初期有三個較強的M分量，M分量是指在連續(xù)電流階段通道微弱發(fā)光時亮度突然增強的現(xiàn)象。 圖1給出了這次閃電首次回擊和回擊后連續(xù)電流初期2.46 ms內(nèi)的原始通道變化圖。 圖1中，R表示回擊，M1—M3表示三個M分量。 規(guī)定回擊的起始時間為0 ms，三個M分量的發(fā)生時間分別為0.154, 0.770和1.386 ms，每兩個相鄰M分量的時間間隔都為0.616 ms。 回擊R之前只拍攝到了兩張先導圖片。 第一張先導圖片對應的時刻是-2.618 ms，第二張先導圖片對應的時刻是-2.464 ms。 由閃電回擊通道的分支方向向下，得出此閃電先導為下行先導。 可以發(fā)現(xiàn)，在-2.618 ms時對應的先導通道長度明顯大于在-2.464 ms時對應的先導通道長度，同時在-2.618 ms時的先導通道發(fā)光也更強。 將M1和M2發(fā)生時的放電通道與回擊R發(fā)生時的放電通道進行比較，可以看出，在M1和M2發(fā)生時，靠近地面的通道亮度和徑向發(fā)光范圍均小于靠近云端通道的亮度和徑向發(fā)光范圍。

圖2(a)給出了此閃電首次回擊及連續(xù)電流過程對應通道某一高度的譜線圖，波長范圍為400～1 000 nm。 可以看出，在整個連續(xù)電流放電過程中，輻射光譜結(jié)構(gòu)整體一致，譜線圖的構(gòu)成大體相同。 激發(fā)能較高(20 eV以上)的NⅡ線是可見波段譜線的主要組成部分，激發(fā)能較低(10 eV左右)的NⅠ和OⅠ線是近紅外波段譜線的主要組成部分。 同時也可以看出，在回擊0 ms時，光譜中可見波段的離子線強度較強，紅外波段的原子線強度相對較弱； 在之后的連續(xù)電流過程，光譜中紅外原子線強度大于可見波段的離子線強度，且隨時間強度緩慢減弱。 上述分析說明： 在閃電回擊之后的連續(xù)電流過程中，通道發(fā)光主要由紅外波段的原子輻射貢獻。 這對閃電的光學觀測等研究有一定的指導作用。

圖1 回擊和連續(xù)電流過程的原始發(fā)光圖片F(xiàn)ig.1 The original pictures of the return stroke and the continuing current process

圖2 (a) 整個放電過程通道某一高度處的譜線圖； (b) 圖(a)的正面投影圖Fig.2 (a) The spectra at a given height during the dischargeprocess;(b) The front Projection of Fig.2(a)

為了更清晰地分析整個放電過程中各發(fā)射譜線隨時間的變化，給出了對應圖2(a)的正面投影圖2(b)。 從圖2中可以得出，可見波段激發(fā)能較高的NⅡ線在回擊R放電時最強，在之后連續(xù)電流階段，隨著云對地通道的持續(xù)放電，離子線強度逐漸變?nèi)?，直?.540 ms后離子線基本消失(小于觀測閾值)。 相反，連續(xù)譜、 氫Hα線和紅外波段的中性原子線NⅠ或OⅠ在回擊時較弱，回擊后逐漸變強，后期又逐漸變?nèi)酢?氫Hα線和紅外波段的中性原子線在M1時達到最強，連續(xù)譜在M2時達到最強。 但近紅外波段的四條強線OⅠ 777.4, NⅠ 746.8, 821.6和868.0 nm在回擊和連續(xù)電流的整個放電過程的光譜中都可以觀測到。

閃電通道是由一個核心通道和其外圍的電暈鞘組成[8]。 電暈鞘也稱作電暈通道。 先導儲存在窄而長的導電核心通道上的電荷會產(chǎn)生一個超過空氣擊穿場值的徑向電場，在此電場力的推動下電荷遠離核心通道，直到徑向電場小于擊穿場值，最后導致閃電通道由一個窄的核心通道和圍繞在其周圍的電暈通道組成。 Uman和Orville[5]研究指出，閃電輻射光譜中NⅡ和OⅡ離子線大部分是由通道核心輻射出。 Orville[9]報道了在閃電的發(fā)射光譜中包含NⅡ，OⅡ，NⅠ和OⅠ輻射的通道直徑大于只包含NⅡ和OⅡ輻射的通道直徑。 Wang等[3,10]通過閃電光譜特征與電場的相關(guān)性分析，也得出閃電光譜中離子線和中性原子線輻射來自其通道徑向的不同區(qū)域，具有較高激發(fā)能的離子譜線主要是通道核心的輻射，具有較低激發(fā)能的原子譜線主要是外圍通道(電暈鞘)的輻射。

因此，依據(jù)等離子體理論，根據(jù)式(4)，分別使用NⅡ線和OⅠ線計算了反映閃電首次回擊及之后連續(xù)電流過程通道核心的溫度和外圍電暈鞘的溫度。 由于同一閃電在放電通道的不同位置，其物理特性會有所差異。 且為進一步分析溫度沿通道的變化特征，因此沿通道均勻選取了30個位置作為采樣點，如圖1所示。 表1給出了回擊R和之后連續(xù)電流過程通道核心溫度Tcore和外圍電暈溫度Tcorona在通道30個位置處的平均值。 由于圖2(a)和圖2(b)中1.540 ms后輻射光譜中NII線基本消失(小于觀測閾值)，因此表1中未給出1.540 ms后的核心通道溫度。

表1 回擊R和之后連續(xù)電流過程通道核心溫度Tcore和外圍電暈溫度Tcorona沿通道的平均值

由表1可以看出，根據(jù)NII線得到的回擊R放電通道核心溫度在通道30個位置處的平均值為36 980 K。 Orville[11]根據(jù)NⅡ離子線計算的回擊通道最高溫度為36 000 K。 與表1中回擊R的結(jié)果比較接近。 表1中回擊R之后，連續(xù)電流和M分量放電過程中通道核心的溫度平均值為42 060～43 940 K。 由于回擊R之后連續(xù)放電，通道持續(xù)加熱，導致核心通道的溫度升高，連續(xù)電流階段核心通道的溫度均高于回擊R，且達到40 000 K以上。 Walker和Christian[12]利用NⅡ離子線計算的人工觸發(fā)閃電回擊通道的溫度也達40 000 K以上。 另外，表1中由OⅠ線得到的回擊R和之后連續(xù)電流過程外圍電暈的溫度平均值為16 170～20 500 K。 采用二譜線法[13]，Orville和Henderson[14]利用中性OⅠ線分析得到的回擊通道溫度在13 000～17 000 K之間。 Weidman等[15]同樣采用二譜線法，利用中性NⅠ線得到的回擊通道溫度約為16 000 K。 以上文獻報道的結(jié)果與表1中依據(jù)OⅠ多譜線法計算得到的電暈溫度的平均值較為一致。 閃電放電通道的溫度與其放電強度緊密聯(lián)系，不同的閃電放電強度，其對應的通道溫度也會有所不同。

圖3給出了回擊R和之后連續(xù)電流過程通道核心溫度Tcore和外圍電暈溫度Tcorona在通道30個位置處的平均值隨時間的演化。 可以看出，回擊R通道核心的溫度低于回擊之后連續(xù)電流階段通道核心的溫度。 M1放電引起通道核心溫度明顯增大。 M1之后，隨時間的增加，連續(xù)電流階段通道核心的溫度幾乎保持不變。 連續(xù)電流階段外圍電暈的溫度隨時間的變化也較小。 除M1外，回擊R外圍電暈的溫度稍高于之后連續(xù)電流階段外圍電暈的溫度。

圖3 回擊R和之后連續(xù)電流過程通道核心溫度和外圍電暈溫度隨時間的演化

圖4給出了回擊R和之后連續(xù)電流階段通道核心溫度Tcore沿通道的變化趨勢。 由圖4可見，回擊R通道高度遞增時，其通道核心的溫度有上升的趨勢。 這與常規(guī)負極性下行閃電回擊通道核心溫度的變化規(guī)律有所不同。 常規(guī)負極性下行閃電回擊通道核心溫度沿通道高度的增大而減小。 由圖1可見，回擊R前的先導在-2.618 ms時，通道發(fā)展已接近地面，而在-2.464 ms時，通道發(fā)展離地面較遠，表明此時先導通道僅在上部被加熱。 這也許是引起回擊R通道核心溫度在底部較小的一個重要因素。 相反，回擊R之后，整個連續(xù)電流階段(包括M分量)，隨通道高度的遞增，每一相應時刻通道核心的溫度明顯呈現(xiàn)下降的趨勢。 與常規(guī)負極性下行閃電回擊通道核心的溫度變化規(guī)律一致。

圖4 回擊R和之后連續(xù)電流過程中通道核心溫度沿通道高度的變化Fig.4 Variations of the Tcore along the channel height for R and the continuing current process

圖5給出了回擊R和之后連續(xù)電流階段外圍電暈溫度Tcorona隨通道高度的變化趨勢。 明顯看出，隨通道高度的遞增，回擊R和之后連續(xù)電流階段(包括M分量)的外圍電暈溫度均有上升的趨勢。 根據(jù)閃電通道的鞘層結(jié)構(gòu)模型，電暈電流在先導向下發(fā)展時已經(jīng)產(chǎn)生[8]。 在整個閃電放電過程中，隨著時間的發(fā)展，電暈鞘逐漸向外擴展，由于電暈電流的累積效應，使回擊R與之后連續(xù)電流整個放電過程中電暈鞘溫度在通道頂部均相對較高，這與圖5所得的結(jié)果相同。

3 結(jié) 論

依據(jù)一次云地閃電首次回擊后疊加三個M分量的連續(xù)電流過程的光譜分析發(fā)現(xiàn)，在回擊放電階段，通道的光輻射主要是激發(fā)能較高的NⅡ輻射，在之后連續(xù)電流放電階段，通道的光輻射則主要為激發(fā)能較低的NⅠ和OⅠ輻射。 并且計算得到此閃電連續(xù)電流階段通道核心的溫度為42 060～43 940 K，高出相應回擊通道核心溫度6 020～7 900 K。 外圍電暈溫度為16 170～20 500 K。 隨時間的增加，回擊之后連續(xù)電流階段(包括M分量)通道核心溫度幾乎保持不變。 在持續(xù)放電的幾個毫秒內(nèi)，通道均維持如此高的溫度，長時間高溫產(chǎn)生的熱效應是連續(xù)電流引發(fā)雷擊災害的主要根源。 此外，連續(xù)電流階段隨著通道高度的遞增，通道核心的溫度呈現(xiàn)明顯下降的趨勢，而外圍電暈溫度呈現(xiàn)明顯上升的趨勢。