王雪娟，許偉群，化樂彥, 王海通，呂偉濤，楊 靜，袁 萍，張其林，張?jiān)?/p>

1. 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣候與環(huán)境變化國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心/ 中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044 2. 中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081 3. 中國(guó)科學(xué)院中層大氣和全球環(huán)境探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029 4. 西北師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，甘肅省原子分子物理與功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730070

引 言

由于自然閃電發(fā)生的時(shí)空隨機(jī)性和瞬時(shí)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(jī)的發(fā)展，近年來(lái)閃電光譜觀測(cè)取得了很大進(jìn)展，不僅限于對(duì)回?fù)暨^程的光譜研究，也擴(kuò)展到了對(duì)閃電其他放電過程的光譜研究，如先導(dǎo)、 連續(xù)電流和M分量。 Warner等[1]2011年報(bào)道了利用高速無(wú)狹縫攝譜儀觀測(cè)的閃電先導(dǎo)過程的光譜圖片。 高速攝譜儀是以高速攝像機(jī)為記錄系統(tǒng)，由于其高感光靈敏度、 記錄時(shí)長(zhǎng)和拍攝速率，為連續(xù)電流和先導(dǎo)這些弱放電過程的光譜觀測(cè)提供了技術(shù)保障。 Xue等[2]2015年報(bào)道了利用高速無(wú)狹縫攝譜儀首次觀測(cè)到一次雙極性自然閃電兩次回?fù)舴烹姾蟀l(fā)生的長(zhǎng)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(bào)道了連續(xù)電流過程的光譜特征與電場(chǎng)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(duì)預(yù)防連續(xù)電流引起的雷電災(zāi)害事故可提供重要的科學(xué)依據(jù)。 Wang等[4]利用一次閃電首次回?fù)艉筮B續(xù)電流過程疊加的三個(gè)M分量的光譜資料，與相應(yīng)回?fù)魧?duì)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(gè)連續(xù)放電過程中通道內(nèi)部物理參數(shù)隨時(shí)間演化特性的研究工作還非常少。 本文利用由高速無(wú)狹縫攝譜儀觀測(cè)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(jì)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?cè)谡麄€(gè)持續(xù)放電過程中隨時(shí)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(jī)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(yùn)用在閃電通道中，需建立以下兩個(gè)基本假設(shè)： (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(xué)薄。 這已被Uman和Orville[5]研究證實(shí)。 (2) 通道滿足局域熱力學(xué)平衡狀態(tài)(LTE)。 研究表明[6]，閃電回?fù)敉ǖ纼?nèi)各離子和電子達(dá)到準(zhǔn)靜態(tài)平衡的時(shí)間在0.01 μs的量級(jí)。 因此，閃電通道可以近似利用LTE來(lái)描述。

基于以上基本假設(shè)，閃電單位立體角內(nèi)輻射的譜線強(qiáng)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(jì)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(duì)數(shù)，進(jìn)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(duì)強(qiáng)度I、 波長(zhǎng)λ、 統(tǒng)計(jì)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(biāo)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(gè)窄而長(zhǎng)的發(fā)光體，且觀測(cè)距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于放電通道的直徑，因此在觀測(cè)試驗(yàn)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(jìn)光量，這樣便能夠清楚記錄到遠(yuǎn)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(wú)狹縫攝譜儀在青海大通拍攝到的一次云對(duì)地自然閃電首次回?fù)艉蟮倪B續(xù)電流過程，持續(xù)時(shí)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(zhǎng)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(gè)較強(qiáng)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(shí)亮度突然增強(qiáng)的現(xiàn)象。 圖1給出了這次閃電首次回?fù)艉突負(fù)艉筮B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?fù)簦琈1—M3表示三個(gè)M分量。 規(guī)定回?fù)舻钠鹗紩r(shí)間為0 ms，三個(gè)M分量的發(fā)生時(shí)間分別為0.154, 0.770和1.386 ms，每?jī)蓚€(gè)相鄰M分量的時(shí)間間隔都為0.616 ms。 回?fù)鬜之前只拍攝到了兩張先導(dǎo)圖片。 第一張先導(dǎo)圖片對(duì)應(yīng)的時(shí)刻是-2.618 ms，第二張先導(dǎo)圖片對(duì)應(yīng)的時(shí)刻是-2.464 ms。 由閃電回?fù)敉ǖ赖姆种Х较蛳蛳?，得出此閃電先導(dǎo)為下行先導(dǎo)。 可以發(fā)現(xiàn)，在-2.618 ms時(shí)對(duì)應(yīng)的先導(dǎo)通道長(zhǎng)度明顯大于在-2.464 ms時(shí)對(duì)應(yīng)的先導(dǎo)通道長(zhǎng)度，同時(shí)在-2.618 ms時(shí)的先導(dǎo)通道發(fā)光也更強(qiáng)。 將M1和M2發(fā)生時(shí)的放電通道與回?fù)鬜發(fā)生時(shí)的放電通道進(jìn)行比較，可以看出，在M1和M2發(fā)生時(shí)，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?fù)艏斑B續(xù)電流過程對(duì)應(yīng)通道某一高度的譜線圖，波長(zhǎng)范圍為400～1 000 nm。 可以看出，在整個(gè)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(shí)也可以看出，在回?fù)? ms時(shí)，光譜中可見波段的離子線強(qiáng)度較強(qiáng)，紅外波段的原子線強(qiáng)度相對(duì)較弱； 在之后的連續(xù)電流過程，光譜中紅外原子線強(qiáng)度大于可見波段的離子線強(qiáng)度，且隨時(shí)間強(qiáng)度緩慢減弱。 上述分析說(shuō)明： 在閃電回?fù)糁蟮倪B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(xiàn)。 這對(duì)閃電的光學(xué)觀測(cè)等研究有一定的指導(dǎo)作用。

圖1 回?fù)艉瓦B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(gè)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(gè)放電過程中各發(fā)射譜線隨時(shí)間的變化，給出了對(duì)應(yīng)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?fù)鬜放電時(shí)最強(qiáng)，在之后連續(xù)電流階段，隨著云對(duì)地通道的持續(xù)放電，離子線強(qiáng)度逐漸變?nèi)?，直?.540 ms后離子線基本消失(小于觀測(cè)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?fù)魰r(shí)較弱，回?fù)艉笾饾u變強(qiáng)，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(shí)達(dá)到最強(qiáng)，連續(xù)譜在M2時(shí)達(dá)到最強(qiáng)。 但近紅外波段的四條強(qiáng)線OⅠ 777.4, NⅠ 746.8, 821.6和868.0 nm在回?fù)艉瓦B續(xù)電流的整個(gè)放電過程的光譜中都可以觀測(cè)到。

閃電通道是由一個(gè)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(dǎo)儲(chǔ)存在窄而長(zhǎng)的導(dǎo)電核心通道上的電荷會(huì)產(chǎn)生一個(gè)超過空氣擊穿場(chǎng)值的徑向電場(chǎng)，在此電場(chǎng)力的推動(dòng)下電荷遠(yuǎn)離核心通道，直到徑向電場(chǎng)小于擊穿場(chǎng)值，最后導(dǎo)致閃電通道由一個(gè)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(bào)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(chǎng)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(lái)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(jì)算了反映閃電首次回?fù)艏爸筮B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(huì)有所差異。 且為進(jìn)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(gè)位置作為采樣點(diǎn)，如圖1所示。 表1給出了回?fù)鬜和之后連續(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(gè)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(cè)閾值)，因此表1中未給出1.540 ms后的核心通道溫度。

表1 回?fù)鬜和之后連續(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?fù)鬜放電通道核心溫度在通道30個(gè)位置處的平均值為36 980 K。 Orville[11]根據(jù)NⅡ離子線計(jì)算的回?fù)敉ǖ雷罡邷囟葹?6 000 K。 與表1中回?fù)鬜的結(jié)果比較接近。 表1中回?fù)鬜之后，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?fù)鬜之后連續(xù)放電，通道持續(xù)加熱，導(dǎo)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?fù)鬜，且達(dá)到40 000 K以上。 Walker和Christian[12]利用NⅡ離子線計(jì)算的人工觸發(fā)閃電回?fù)敉ǖ赖臏囟纫策_(dá)40 000 K以上。 另外，表1中由OⅠ線得到的回?fù)鬜和之后連續(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O(shè)Ⅰ線分析得到的回?fù)敉ǖ罍囟仍?3 000～17 000 K之間。 Weidman等[15]同樣采用二譜線法，利用中性NⅠ線得到的回?fù)敉ǖ罍囟燃s為16 000 K。 以上文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果與表1中依據(jù)OⅠ多譜線法計(jì)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(qiáng)度緊密聯(lián)系，不同的閃電放電強(qiáng)度，其對(duì)應(yīng)的通道溫度也會(huì)有所不同。

圖3給出了回?fù)鬜和之后連續(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(gè)位置處的平均值隨時(shí)間的演化。 可以看出，回?fù)鬜通道核心的溫度低于回?fù)糁筮B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(shí)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(shí)間的變化也較小。 除M1外，回?fù)鬜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?fù)鬜和之后連續(xù)電流過程通道核心溫度和外圍電暈溫度隨時(shí)間的演化

圖4給出了回?fù)鬜和之后連續(xù)電流階段通道核心溫度Tcore沿通道的變化趨勢(shì)。 由圖4可見，回?fù)鬜通道高度遞增時(shí)，其通道核心的溫度有上升的趨勢(shì)。 這與常規(guī)負(fù)極性下行閃電回?fù)敉ǖ篮诵臏囟鹊淖兓?guī)律有所不同。 常規(guī)負(fù)極性下行閃電回?fù)敉ǖ篮诵臏囟妊赝ǖ栏叨鹊脑龃蠖鴾p小。 由圖1可見，回?fù)鬜前的先導(dǎo)在-2.618 ms時(shí)，通道發(fā)展已接近地面，而在-2.464 ms時(shí)，通道發(fā)展離地面較遠(yuǎn)，表明此時(shí)先導(dǎo)通道僅在上部被加熱。 這也許是引起回?fù)鬜通道核心溫度在底部較小的一個(gè)重要因素。 相反，回?fù)鬜之后，整個(gè)連續(xù)電流階段(包括M分量)，隨通道高度的遞增，每一相應(yīng)時(shí)刻通道核心的溫度明顯呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。 與常規(guī)負(fù)極性下行閃電回?fù)敉ǖ篮诵牡臏囟茸兓?guī)律一致。

圖4 回?fù)鬜和之后連續(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?fù)鬜和之后連續(xù)電流階段外圍電暈溫度Tcorona隨通道高度的變化趨勢(shì)。 明顯看出，隨通道高度的遞增，回?fù)鬜和之后連續(xù)電流階段(包括M分量)的外圍電暈溫度均有上升的趨勢(shì)。 根據(jù)閃電通道的鞘層結(jié)構(gòu)模型，電暈電流在先導(dǎo)向下發(fā)展時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生[8]。 在整個(gè)閃電放電過程中，隨著時(shí)間的發(fā)展，電暈鞘逐漸向外擴(kuò)展，由于電暈電流的累積效應(yīng)，使回?fù)鬜與之后連續(xù)電流整個(gè)放電過程中電暈鞘溫度在通道頂部均相對(duì)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?fù)艉蟑B加三個(gè)M分量的連續(xù)電流過程的光譜分析發(fā)現(xiàn)，在回?fù)舴烹婋A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(jì)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(yīng)回?fù)敉ǖ篮诵臏囟? 020～7 900 K。 外圍電暈溫度為16 170～20 500 K。 隨時(shí)間的增加，回?fù)糁筮B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(gè)毫秒內(nèi)，通道均維持如此高的溫度，長(zhǎng)時(shí)間高溫產(chǎn)生的熱效應(yīng)是連續(xù)電流引發(fā)雷擊災(zāi)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(shì)，而外圍電暈溫度呈現(xiàn)明顯上升的趨勢(shì)。