地球物理学报  2012, Vol. 55 Issue (8): 2508-2513   PDF    
闪电放电过程的近红外光谱及温度沿放电通道的演化特征
瞿海燕1,2 , 袁萍1 , 张华明3 , 郄秀书4     
1. 西北师范大学物理与电子工程学院,甘肃省原子分子物理与功能材料重点实验室,兰州 730070;
2. 中国科学院国家科学图书馆兰州分馆,兰州 730000;
3. 山西省雷电防护监测中心,太原 030002;
4. 中国科学院大气物理研究所,北京 100029
摘要: 利用无狭缝红外光谱仪, 获得山东地区闪电放电过程760~970 nm范围的近红外光谱.光谱特征分析得出: 近红外光谱主要是峰值电流之后、放电后期的辐射, 谱线主要是中性原子的贡献.首次讨论了放电后期的通道温度和光谱总强度沿放电通道的演化特征.结果表明, 通道温度较回击电流上升至峰值阶段降低, 约为16000 K; 不同闪电的光谱结构、通道温度差异不大, 反映了放电等离子体复合阶段的特性; 地闪通道的温度和光谱总强度沿放电通道略呈单调变化趋势, 接地点附近最大; 云闪通道的温度和光谱总强度沿放电通道非单调变化, 在通道的拐弯、分叉以及结点附近发生突变.
关键词: 闪电放电      近红外光谱      通道温度      光谱总强度     
Evolution characteristic of near-infrared spectra and temperature along the stroke channel of lightning discharge process
QU Hai-Yan1,2, YUAN Ping1, ZHANG Hua-Ming3, QIE Xiu-Shu4     
1. Key Laboratory of Atomic and Molecular Physics & Functional Materials of Gansu Province, College of Physics and Electronic Engineering, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China;
2. The Lanzhou Branch of the National Science Library, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China;
3. Thunder Prevention and Observation Center of Shanxi Province,Taiyuan 030002, China;
4. Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
Abstract: The near-infrared spectra in the range of 760~970 nm for lightning discharge processes are obtained by using a slit-less infrared spectrograph in Shandong area of China. The spectra analysis shows that the near-infrared spectrum is mainly the radiation from the later stage after the discharge peak current, and the lines of neutral nitrogen and oxygen atoms are the major components of the separation spectrum. Furthermore, the evolution characteristic of the channel temperature and the total intensity of spectra along the channel during near-infrared radiation are discussed for the first time. The results show that the channel temperature decreases to about 16000 K compared with the stage of return stroke current rising to peak; there is little difference for spectral structure and channel temperature of different lightning, which reflects the characteristics of plasma channel in the recombined phase; the channel temperature and the total intensity of spectra along the channel show a slight tendency of monotonic change for cloud-to-ground lightning, reaching the maximum near the ground; the variation is non-monotonic in cloud lightning, and the channel temperature and the total intensity of spectra are suddenly changed in the tortuous positions, branches and crunodes of the channel..
Key words: Lightning discharge      Near-infrared spectra      Channel temperature      Total intensity of spectra     
1 引言

闪电放电不仅产生瞬态强电流,而且在峰值温度高达数万摄氏度的放电通道中聚集大量的等离子体,其特性与闪电形成和发展的物理过程及伴随的化学效应密切相关.光谱分析作为诊断闪电放电等离子体行为的唯一手段,成为人们关注的课题.基于闪电光谱的工作,以往主要是利用回击电流上升至峰值阶段辐射的可见范围的光谱来推断通道温度、电子密度、电导率、热导率等参数及其与放电特性的相关性[1-6],关于闪电通道红外光谱的观测及定量分析非常少.闪电在近红外波段也有较强的光辐射,而在这一区域连续辐射比较弱,分子散射也比可见光范围弱,所以红外光谱是研究闪电通道光薄条件的最好选择[7].另外,相关研究表明[8-10],闪电近红外光谱主要是放电后期中性原子的辐射,其中OI(777.4nm)和NI(868.3nm)是星载雷电光学探测的首选谱线.近红外光谱的定量分析可以为闪电通道的冷却、以及放电后期低温低电流过程的探讨提供新信息[9],对闪电过程物理机制和伴随的化学效应的研究有重要意义.

本工作利用在山东地区拍摄的760~970nm范围的闪电近红外光谱,在光谱特征分析的基础上,通过中性原子(NI、OI)的辐射计算了放电后期的通道温度,讨论了温度和光谱总强度沿通道的演化特征,为进一步分析通道消散阶段的温度衰减特征、估算闪电产生氮氧化物提供了参考数据.

2 理论方法

利用光谱信息计算闪电放电通道的温度,需以下两个基本假设[1-2]:(1)放电通道是光学薄的;(2)通道满足局部热力学平衡条件(LTE).Uman 等人通过对时间累积和时间分辨的闪电光谱分析得出:闪电通道对于中性的OI、NI线以及连续的低温过程是光薄的[7].

局部热力学平衡的假设要求等离子体的能量满足玻耳兹曼统计分布,在这一条件下,由同一辐射源产生的同一原子的两条发射谱线的强度比为[1]

(1)

式中,I为光谱线强度,λ 为波长,g为统计权重因子,f为振子强度,EmEn分别是两谱线的上激发能,k为玻耳兹曼常数,T为温度.

由方程(1),进一步推出:

(2)

计算中,依据减小误差的原则选择多组谱线,由谱线相对强度及其跃迁参数得到温度.

3 实验装置

光谱由无狭缝红外摄谱仪获取,其记录系统是红外数码摄像机,采用专业蔡司镜头,12 倍光学变焦,f=4.3~51.6mm, 视角Φ=52°;数字成像系统由3组CCD(电荷耦合器件)阵列组成.为了得到闪电通道的近红外光谱,将截至波长为760nm 的滤波片(波长范围760~970nm, 截止区的透射率小于1%,通带内最小透射率为85%)置于摄像机的物镜前,每毫米600条的透射光栅置于滤波片前(图 1),一级光谱的色散约为1.7nm/像素[10].得到光谱图像后,利用VB采集软件,将光谱图片转化为用相对强度表示的谱线图进行定量分析.

图 1 无狭缝红外光谱仪原理示意图 Fig. 1 The schematic diagram of slit-less infrared spectrometer
4 资料分析

选取了山东地区同一雷暴过程中三次闪电的红外光谱,这次雷暴过程的前期地闪比较频繁,后期以云闪为主.图 2是三次闪电的近红外光谱图片(图中序号用来标定通道中将要讨论的位置),其发生的时间分别为:22∶13∶58、23∶10∶26和23∶14∶01(北京时),为了方便起见,将它们命名为flash A、flash B和flash C.根据通道的发展特征和拍摄光谱时光栅放置的位置初步判断:flash A 为地闪,flash B 和flash C 为云闪.这三次闪电发出红外辐射的持续时间均长达160ms, 每个闪电都分别拍到8张谱线结构、强度都几乎不随时间变化的光谱(这里只讨论每个闪电在这段时间内的第一张光谱).这一光谱特性反映出,闪电在放电后期有一段持续时间较长、且比较稳定的辐射平台,所以红外波段应该是实现星载雷电光学探测的理想区域.

图 2 闪电放电通道原始近红外光谱图片 Fig. 2 Original near-infrared spectra photo of three lightning discharge channels

用无狭缝摄谱仪拍摄的闪电光谱是对实际放电通道分光的图片,为了定量分析,在通道上选取光谱分辨比较好的位置,并将其转化为用相对强度表示的光谱图.图 3是通道某一位置的光谱,记录到的谱线及其跃迁参数在表 1中列出.

表 1 三次闪电近红外光谱中记录到的谱线 Table 1 Lines recorded in near-infrared spectra of three lightnings
图 3 用相对强度表示的通道某一位置的近红外光谱 Fig. 3 Near-infrared spectra at a typical position of three lightning channels

图 3可以看出,不同闪电的近红外光谱结构差别不大,谱线主要是N、O 中性原子辐射的贡献,与闪电可见范围光谱相比,氧原子谱线明显增多、相对强度增大[10].Orville和Henderson[8]对375~880nm范围的光谱分析发现,近红外波段的光谱辐照度较可见波段明显要弱,在777.4nm 处辐射最强,其中OI(777.4nm)和NI(868.3nm)已成为近年来星载雷电光学探测的首选谱线.

为了定量分析通道温度与光谱总强度(谱线相对强度加连续背景强度)沿放电通道的演化特征,分别计算了三次闪电沿通道不同位置的温度T和相应的光谱总强度Iτoτ表 2 列出了在通道较直的一些位置计算的数据.其中,温度T是选取多组谱线791.5/820.0(NI)、868.3/906.1(NI)、791.5/868.3(NI)和844.7/926.6(OI)计算取平均的结果.可以看出,三次闪电在通道不同位置的温度均在16000K左右,即:不同闪电在放电后期的通道温度差别不大.

表 2 三次闪电沿放电通道较直位置处的温度T及光谱总强度Iτoτ Table 2 The temperature and the total intensity of spectra at straight positions along the stroke channel of three lightnings

Orville 和Henderson[8]利用OI 谱线777.4/794.7nm、844.7/794.7nm 计算的通道温度为13000~17000K;Weidman[9]等人研究了人工触发闪电在850~1400nm 波段的光谱辐射特性,根据这一波段的NI谱线868.0/1011.3nm 推得的通道温度为16000K 左右.Plooster的研究也证实,从中性原子谱线相对强度得到的温度几乎不依赖于通道的最初条件(电流峰值、上升时间、最初通道半径和最初温度),当通道温度在15000~18000K 时,中性原子的辐射强度达到峰值[11].时间分辨的闪电光谱研究也发现,闪电放电过程中,通道首先辐射的主要是一次电离离子的跃迁谱线,其次是连续谱,最后是中性原子的跃迁谱线[12].依据闪电放电的特性,回击初期,电流通常在几微秒内达到峰值,使通道迅速达到高温、高电离度状态,光谱主要是具有较高激发能量的一次电离离子的辐射,其特性与闪电放电的强度密切相关.由于闪电放电电流是骤然上升然后缓慢下降,峰值电流之后,通道温度降低,离子复合占主导地位,光谱以激发能量较低的中性原子辐射为主.根据闪电放电电流的变化特征和光谱特性、通道温度特性、结合文献[11-12]的结论可以推断,红外光谱应该是闪电峰值电流之后、放电后期的辐射,它主要反映了等离子体通道复合阶段的特性.Uman等人的研究结果表明,当通道温度降低到14000K 左右时,通道内的压强与周围气体压强大致相等[13].随着通道半径的增大,能量向外传递、等离子体温度降低、复合生成NOx 并被带出通道,当温度降低到一定值时,达到NOx 的“冻结温度".

图 4直观地显示了三个闪电通道的温度与光谱总强度沿放电通道的演化特征.可以看出:沿通道从上到下,flash A 的光谱总强度和温度略呈增加趋势,在通道位置8~20点是通道最接近垂直于地面、没有明显拐弯和分叉点的一段,温度和光谱总强度值变化不明显,在7 和21 点附近均出现了通道弯曲,温度也有明显变化;flash B的22点附近出现一个较大的分支、flash C 的26 点是一个很亮的结点(见图 2),这两个闪电的通道温度和光谱总强度在分支和结点附近都出现了突变,温度达到17900 K左右,并且分支点和结点两侧温度和光谱总强度的变化趋势正好相反.王道洪[14]等在对闪电通道分叉处的观测研究发现,在靠近分叉端附近的亮度容易出现急剧增强.通道的迂回弯曲和箍缩效应容易引起温度的局部变化,并使该处的电流密度变大.另外,在三个闪电通道比较直的部分(图中L),光谱总强度和温度的变化较为缓慢且有较好的一致性.

图 4 温度与光谱总强度沿放电通道的变化趋势 Fig. 4 The change trend of the temperature and the total intensity of spectra along the stroke channel

有关云-地闪电过程的光学观测已证实[15-17],回击产生在上行先导与下行先导的连接点,并在连接点处产生最强的光辐射;同时,回击电流上升至峰值阶段辐射的可见光谱的研究表明[18]:同一放电通道内,随着高度的增加温度略呈减小趋势,在近地端温度最大.图 4flash A 中通道温度和光谱总强度沿放电通道也有类似的变化趋势.云闪放电通道在空间发展方向上具有更大的随机性[19-20],flash B 和flash C 中通道温度和光谱总强度沿放电通道呈非单调变化,这与云闪通道在空中发展的复杂多变性有关.

5 结论

讨论了近红外光谱及相应辐射阶段通道温度的特征,结果表明:近红外光谱主要是峰值电流之后、放电后期的辐射,辐射持续时间较长;不同闪电的光谱结构、通道温度差异不大,反映了等离子体通道复合阶段的特性.地闪通道的温度和光谱总强度沿放电通道略呈单调变化趋势、近地点通道温度最高;云闪通道的温度和光谱总强度沿放电通道非单调变化,在通道的拐弯、分叉以及结点附近发生突变.

参考文献
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