（原子与分子物理专业论文）闪电通道等离子体发射光谱的实验研究.pdf

摘要 利用无狭缝摄谱仪获得了云对地闪电回击过程4 0 0 - 一7 0 0 n m 波长范围的光谱，同 时利用光学多道分析仪o m a 获得了人工触发闪电通道波长在5 6 0 - 一6 7 0 n m 范围的光 谱。 在谱线辨认和光谱特征分析的基础上，在局部热力学平衡( l t e ) 条件近似下， 根据光谱线相对强度，计算了闪电通道等离子体的温度，同时由s a h a 方程获得了通 道等离子体的电子密度，并对通道温度和电子密度随通道高度的变化进行了分析，发 现：通道温度和电子密度随高度的升高略有减小趋势，其中，个别高度的温度和电子 密度局部变大。可以推断：通道温度和电子密度随高度变化是由于有效通道的扩展速 度比先导下行速度慢，导致在地面附近有效通道没有扩展完全，箍缩效应是通道等离 子体温度和电子密度发生局部变化的原因，也是闪电产生x 射线和中子的主要原因： 电子的复合辐射和韧致辐射是闪电光谱连续辐射的主要来源；附着辐射是闪电通道中 负离子的主要来源，是电子损耗的主要方式之一，在闪电产生氮氧化物和臭氧的反应 中起重要的作用。 在此基础上，结合等离子体理论得到了闪电通道的电导率，由此讨论了通道的导 电特性。结果表明，闪电通道是良导体，电子是闪电通道等离子体中电流的主要载体， 电流速度大于回击速度；分析了通道电导率与回击电流之间的相关性，由通道电导率， 可望提供回击电流的计算值，解决闪电物理研究和雷电防护工程中回击电流难以直接 测量的困难。讨论了闪电通道与激光在大气中激发的等离子体通道之间的差异，为激 光引雷机制的研究提供了参考数据。 关键词：闪电光谱，等离子体，通道温度，电子密度，电导率 l l a b s t r a c t s p e c t r ao fl i g h t n i n gr e t u r ns t r o k e si nt h er a n g eo f4 0 0 7 0 0n l nh a db e e no b t a i n e db y s l i t - l e s ss p e c t r o g r a p h ，a n da r t i f i c i a l l yt r i g g e r e dl i g h t n i n gr e t u r ns t r o k e ss p e c t r ai nt h er a n g e o f5 6 0 - - 6 7 0n mh a db e e no b t a i n e db yo p t i c a lm u l t i - c h a n n e la n a l y s e r ( o m a ) a c c o r d i n gt ot h er e l a t i v ei n t e n s i t i e sa n dt r a n s i t i o np a r a m e t e r s o fl i n e s ，u n d e rt h e m o d e lo f l o c a lt h e r m o d y n a m i ce q u i l i b r i u m ( l t e ) t e m p e r a t u r e so f l i g h t n i n gc h a n n e lh a v e b e e nc a l c u l a t e dw i t hm u l t i p l e - l i n em e t h o d s i m u l t a n e o u s l y , e l e c t r o nd e n s i t yi sa l s o o b t a i n e db ys a h ae q u a t i o n a n a l y s i n gt h ec h a n g e so f e l e c t r o nd e n s i t ya n dt e m p e r a t u r e 、 r i t l l h e i g h to fc h a n n e l ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec h a n n e lt e m p e r a t u r ea n dt h ee l e c t r o nd e n s i t y s l i g h t l yd e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n go fh e i g h t ，b u ta ts o m eh e i g h t s ，t h et e m p e r a t u r ea n dt h e e l e c t r o nd e n s i t y 啦g r e a t e r a c c o r d i n gt ot h e s e w ec a l li n f e rt h a tt h ec h a n g e so fc h a n n e l t e m p e r a t u r ea n de l e c t r o nd e n s i t yw i t hh e i g h ta r ed u et or a d i a ld i f f u s i o no fl i g h t n i n g c h a n n e l 、析l ht h ed o w n w a r dd i s c h a r g ec h a n n e l w h i c hr e s u l t e di nt h eg r o u n dc l o s e r e f f e c t i v ec h a n n e lr a d i u sc a nn o te x t e n df u l l ya n dt h el o w e rc h a n n e lt e m p e r a t u r ea n d p l a s m ad e n s i t yg e tg r e a t e r p i n c he f f e c to fl i g h t i n gc h a n n e li sd e d u c e d a st h em a i nr a d i a n t p o i mo fx - r a ya n dn e u t r o np r o d u c e di nt h ep r o c e s so fl i g h t i n g ；e l e c t r o n i cr e c o m b i n a t i o n a n db r e m s s t r a h l u n gr a d i a t i o na g em a i ns o u r c eo ft h eb a c k g r o u n dc o n t i n u u m a t t a c h m e n t r a d i a t i o ni st h em a i ns o u 口t , eo fn e g a t i v ei o n sa n do n eo ft h em a i nm e t h o d so fe l e c t r o n d e p l e t i o ni nl i g h t n i n gc h a n n e l n e g a t i v ei o n sp l a yo ni m p o r t a n tr o l ei nt h ep r o d u c t i o no f n i t r o g e no x i d e sa n d o z o n e o nt h eb a s i so f t h i s ，i nc o m b i n a t i o nw i t hp l a s m at h e o r y , c o n d u c t i v i t yo f t h el i g h t n i n g c h a n n e li sc a l c u l a t e d , a n dt h ec o n d u c t i v i t yc h a r a c t e r i s t i co fc h a n n e li sd i s c u s s e d t h e r e l a t i o nb e t w e e nt h ec o n d u c t i v i t yo fc h a n n e la n dt h er e u n ns t r o k ec u r r e n ti sa n a l y z e d ， w h i c hp r o v i d er e f e r e n c ed a t af o rf u r t h e rc o m p u t i n gr e t u r ns t r o k ec u r r e n t t h ed i f f e r e n c e s b e t w e e nl i g h t n i n gc h a n n e la n dp l a s m ac h a n n e lp r o d u c e db yl a s e ri nt h ea t m o s p h e r ei s d i s c u s s e d , w h i c hp r o v i d er e f e r e n c ed a t af o rf u r t h e rs t u d yl a s e rt r i g g e r e dl i g h t n i n g k e y w o r d s ：l i g h t n i n gs p e c t r a ；c h a n n e lt e m p e r a t u r e ；e l e c t r o nd e n s i t y ；c o n d u c t i v i t y i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北 师范大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说嘎并表示了 谢意。 签名：翻啤盥一日期：止洲， 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：趁杜导师签名：_ = 鑫l 茸日期：j 些弘 西北师蓓大学硕士研究生擘位论文 第一章绪论 闪电是自然界最壮观的和重要的大气现象之一伴随雷电有声、光、电等多种的 物理现象，电学的发展就来自闪电的研究。早在1 7 5 2 年美国科学家富兰克林就对闪电 进行了深入的研究，揭示了闪电的本质。雷电是大气科学的重要研究对象，特别是最 近几十年来，随着人们对闪电探测手段的提高，对它进行了大量研究，取得了大量的 研究成果，对雷电的形成机制、活动规律有了深入的了解，并形成了雷电这一学科。 闪电是发生在大气中的瞬间高电流放电过程，闪电过程的大电流及其时间变化率 和强电磁辐射效应是造成对人身的伤害，以及导致森林火灾、电力和通讯系统中断的 主要根源，也是许多无线电通讯中干扰的主要来源，闪电对各种先进的飞行器、核电 站以及复杂的军事系统可能造成的影响已成为人们越来越关注的问题。在自然灾害 中，闪电引起的灾害是世界十大自然灾害之一。长期以来，闪电放电中发生的物理过 程一直是雷电研究和防护领域的一个焦点课题。现有的研究方法包括闪电通道电流、 电磁场、声光信号的测量以及发射光谱的观测和分析等。 第一节引言 闪电具有非常大的瞬间峰值能量，强大的闪电电流可以将闪电通道瞬间加热到高 达数万度的峰值温度从而聚集大量的等离子体，这些等离子体的特性参数及变化与闪 电形成和发展的物理过程密切相关。因此，通道等离子体诊断长期以来是雷电物理的 研究领域所关心的课题。由于自然闪电发生的随机性和瞬时性，使等离子体诊断的其 它各种探测方法难以实现，而光谱观测是目前唯一可以在一定距离内获取通道内部物 理信息的手段，所以，特别引起人们的兴趣f i 】。 h e r s c h e l l 2 j 等人最早在可见光范围内进行了闪电光谱的观测，看到了这一区域内 的几条强谱线，由于试验设备和观测手段的限制，没有记录到这些谱线。s c h u s t e r ( 3 1 首次作了光谱的记录和辨认工作。辨认出了可见范围内最容易出现的两条强线，即波 长为5 0 0 5 r i m 和5 6 8 i n m 的n i l 离子谱线。s l i p h e r l 4 1 利用狭缝光谱仪获得了第一张闪 电光谱的照片。辨认了3 8 3 5 0 0 n m 波长范围内n i l 、h i 以及o i 的一些谱线，并与实 验室的空气间隙火花放电光谱进行了比较，从此推动了闪电光谱的分析和研究工作。 在随后的几十年里，闪电光谱的观测逐渐延伸到紫外和红外波长区域，取得了 很大的进展。j o s e l 5 j 研究了7 4 0 - 8 8 0 n m 范围的红外光谱，他在这一区域记录到的主要 第一章绪论 是中性n i 和o i 的辐射。p e t r i e 和s m a l l 【6 】使用极光狭缝光谱仪将观测的波长范围延 伸到9 1 0 r i m 的红外波段，并且，通过谱线的辨认发现，7 1 0 - v 9 1 0 n m 的所有辐射都是 中性原子发出的。 s a l a n a v e 【7 j 用第一台无狭缝摄谱仪实现了对单次回击过程的观测后，才使闪电光 谱学的研究方向发生了实质性的变化。无狭缝光谱仪的广泛应用使闪电光谱的研究迈 入了一个新的开端。s a l a n a v e 【7 - 1 0 1 等人用无狭缝光谱仪先后研究了可见光区、紫外区 以及红外区的闪电光谱，并对光谱进行了比较详细的分析和辨认。 在光谱定量分析方面，除了对光谱成分和谱线强度的研究外，以往对闪电光谱 的定量分析也主要有两方面的工作，一方面是通过对h 线的s t a r k 加宽或者光谱线 相对强度的分析，估算通道中的电子密度，另一方面是根据光谱数据，在通道局部热 力学平衡和光薄等假设条件下推得通道的平均温度及其随时间的变化。o r v i l l e t q 对闪 电光谱做了比较系统的定性、定量分析，通过对一段1 0 m 长的回击通道的时间分辨 光谱分析，利用一些典型谱线的强度和跃迁参数，估算了通道的平均温度，并给出了 温度随时间变化的曲线，o r v i l l e0 2 1 用半经验的方法进一步讨论了回击通道中电子密 度、压力、温度以及电离度等参量的变化，并得出：n i 、n i i 、n i i i 的浓度以不同的 规律随时间非线性变化，但通道中n i l 浓度始终最大。 由于自然闪电放电的随机性、瞬时性和破坏性等特点，使得闪电光谱资料的获取 十分困难，从而对雷电放电过程和机理的认识也受到制约。自7 0 年代发展起来的陆 地人工引雷技术l l 习为雷电的研究提供了一条有效途径。最常用的人工触发闪电技术是 火箭一导线技术。按触发方式不同，可以分为传统和空中两种触发方式。传统触发闪 电的放电过程与高大建筑触发的上行雷的放电过程十分类似。空中触发闪电则可以模 拟自然闪电中的下行梯级先导过程和首次回击过程i 。随着人工引雷技术的发展与应 用，提供了一个利用多种先进仪器对闪电放电特性进行综合同步测量的好机会 1 1 , 1 5 - 1 6 w e i d m a n 1 刀等人研究了人工触发闪电在8 5 肚1 4 0 0 1 1 m 近红外波段的光谱辐射特 性，发现在近红外范围内，触发闪电和自然闪电的回击光谱基本相同，线状谱主要是 n i 、o i 中性原子的辐射，连续辐射的峰值强度比最强的谱线小至少一个数量级。另外 发现，这一波段实验室模拟回击放电的电弧光谱中包含了实际闪电光谱的所有特性， 在闪电光谱中，个别谱线可能受水分子吸收带的影响而没有记录到。w e i d m a n 这一工 作还发现，闪电在近红外波段的光谱辐射很强，与日光本底的强度相比，个别强谱线 2 西北师范大学璜七研究生学位论文 超过了可见范围的一些谱线，连续辐射在这一波长范围非常弱，分子散射也比可见区 域弱。 第二节雷电概述 闪电是大气中超强、超长尺度放电现象。闪电放电一般长几公里，也可见到长几 公里，甚至有4 0 0 公里长的云放电。闪电放电时一种瞬时的放电过程，整个完整放电 过程持续一般不到1 秒钟。闪电，一般最常发生于雷云( t h u n d e r c l o u d ) 之中，雷云是闪 电的最大制造者，虽然在雪暴、沙尘暴和火山爆发以及核爆炸产生的蘑菇云中偶尔也 可以观测到闪电现象，但是研究的很少；闪电放电主要产自雷雨云( 即雷暴、雷暴云 或积雨云) ，主要包括地闪、云闪、球状闪电和蛛状闪电以及伴随它们产生的雷声、 天电等。 雷雨云即一般所称的积雨云，它们是闪电最大的制造者，它的内部必带有不同性 质的电荷，而这些电荷是这样形成的：当空气上方有冷空气，而下方有温暖空气时， 由于下方的温暖空气密度较低，会迅速往上升，而上方密度大的冷空气往下降。雷云 在水滴或小冰粒摩擦碰撞的过程中，带有电荷。这样的型态时常发生于冷风与暖空气 之交界处，或者当地面受到太阳强烈曝晒后，地面将热量传给附近低层的空气时。雷 云的体积相当庞大，直经可宽达数十公里，云顶的高度可从离地面5 千米至2 0 千米， 也就是云顶可突破对流层顶进入平流层l l s l 。 典型的雷云云顶高度约8 1 2 千米。由于温度梯度与重力作用，雷云中有强烈的 振动，包括风、水和冰，使得云中的水滴或冰粒带有电荷。典型的情况是雷云上半部 带正电荷，下半部的带电净值为负。在雷云的底部有少部分正电荷存在( 图卜1 ) 。 整朵雷云像一个电偶极。 通常情况下。一半以上的闪电发生在雷暴云的主正、负电荷区之间，称作云内放 电过程，云内闪电与发生机率相对较低的云间闪电和云一空气放电一起被称作云闪。 另一类闪电则发生于云体与地面之间的对地放电，称为地闪( c l o u d - t o g r o u n d l i g h t n i n g ) 。虽然最频繁发生的是云闪，但由于地闪对地面物体造成的严重威胁，以及 它的放电通道暴露于云体之外易于光学观测，因此目前对地闪放电过程已经有了相对 系统的研究。 据统计，全世界每年约有1 0 亿次雷暴发生，平均每小时发生2 0 0 0 次雷暴，而每分 钟平均发生1 3 次云对地闪电。就整个地球表面而言，每秒钟的地闪就有3 0 1 0 0 次， 第一章堵论 而在地球表面各地，有时顷刻间就有2 0 0 0 个左右的闪电，平均每天发生闪电8 0 0 万次， 每次闪电在微秒量级的瞬间释放出1 9 8 x 1 0 6 焦耳的能量。如森林火灾5 0 是由雷电 引起的。 图1 - 1 典型的雷云 随着经济和现代科学技术的发展，雷电灾害造成巨大的经济损失，其危害程度大 大加大了，据有关资料统计，全世界每年因雷击造成的经济损失达1 0 亿美元以上， 同时从事户外活动的人畜造雷击的伤亡越来逐年增多，我国每年因雷击伤亡的人数达 1 0 5 0 0 人左右【1 9 l 。特别是对高新技术的发展，计算机广泛应用于各个领域，雷电灾害 具有巨大的破坏性，它的产生是目前人类无法控制和阻止的，雷电的放电电压高可达 5 0 0 k v 以上，闪电蜂值电流的幅度大，高达1 0 0 3 0 0 k a ，闪电电流变化快，放电过程 时间短，一次放电时间约为4 0 u s ：同时雷电表现为强大的冲击波、剧变的电磁场、 强烈电磁辐射。 闪电在给人类造成危害的同时也具有有益的一面，从进化史看雷电出现早于人 类，并且与首次产生氨基酸有关，可能是生物进化中不可缺少的一环。闪电可能是人 类第一个火种的源泉。人类很早以前就了解闪电放电有固氮的作用，使大气中的氮变 成氮氧化物，成为植物包括农作物可吸收的化合物h l 。e r h a l tc ta l 【加1 g o l d c b a u me ta l 2 1 1 ，b i a z a rc ta l 2 2 1 等均有闪电产生氮氧化物及数量的估计及其相关的研究工作。一般认 为闪电产生的氮肥可能只占全球实际消耗的少部分。不过，还尚无定论。闪电导致臭 4 西北师范大学焉士研究生学位论文 氧的产生，在一定程度上有利于人类。闪电会引发森林大火，只要不过度也会对森林 的生态平衡起到良好的调节作用。 一，嵋一一一一一 图卜2 全球电路等效示意图 闪电是全球电路中不可缺少的一环，全球电路概念是在导电大气的基础上产生 的。图1 2 给出了全球电路的等效示意图。电离层和地面构成了一个球形电容器，如 假定地面电位为零，则电离层电位平均为+ 3 0 0 k v 【。 全球雷暴活动相当于一个发电机，向上连接电离层，向下连接导电地面，雷暴不 断的向电离层充电，从而维持了全球电路的平衡d 3 1 。由于银河宇宙射线对大气的电离 作用，而且大气随高度逐渐稀薄。因此低层大气中大气导电率随高度增加而呈指数 增大。雷暴产生的放电电流( 称为威尔逊电流，首先由c t r w i l s o n 于1 9 2 0 年提出) 将大部分从云顶流出，向上流入电离层，并在远离雷暴的晴天区域产生一个连续稳态 电流，从电离层通过电导大气流入地面，完成全球电流循环。 第三节本工作的意义及内容 云对地闪电的峰值电流一般为几万安培。强大的电流，使得通道的峰值温度高达 数万度从而聚集大量中性原子、分子、电子和带正电荷的离子，形成典型的等离子体 通道。 由于闪电发生、发展的随机性和瞬时性，利用其它探测方法难以实现对通道等 离子体的诊断，光谱观测能在一定距离内获取通道内部的物理信息，通过对闪电光谱 5 第一章绪论 的分析，可以直接获得通道温度和电子密度等反映等离子体基本特性的参数：由回击 通道的温度和电子密度，又可以推算通道的电导率、压强、相对质量密度、电离百分 率、以及同种粒子浓度( 如n i 浓度、n i i 浓度等) 等与通道放电特征有关的参量， 对闪电过程物理机制的研究有重要的意义。等离子体的辐射特性，直接反映了闪电形 成和发展的物理过程，也与通道中各种化学反应密切相关 2 5 - 2 7 ，所以，在闪电物理 的研究中，光谱作为反映闪电放电通道内部等离子体行为的唯一方式，一直是人们关 心的课题。对闪电过程物理机制的研究以及闪电产生氮氧化物的探讨有重要的意义。 以往的工作很少涉及通道温度、电子密度等参量与闪电放电特性以及微观物理过 程的相关性的讨论。由回击通道的电子密度和温度，可以确定通道的电导率、电离度 等性质，因此，结合放电特性的分析可望使闪电物理的研究取得一些新的进展。 地闪回击过程的电流强度及变化是闪电物理研究和雷电防护工程中十分重要的 参量之一，但闪电电流的直接测量十分困难。由通道电导率，可望提供回击电流的计 算值。 基于以上原因，在本论文中我们主要作了以下几方面的工作： 第二章：基本理论概述及闪电光谱的实验装置。 第三章：第一节主要介绍闪电的主要形式云对地闪电。第二节介绍了利用无狭缝 摄谱仪获得的青海高原地区云对地闪电回击过程的光谱，根据h a 线的s t a r k 加宽和 s a h a 方程两种方法分别获得了闪电回击通道电子密度，并讨论了电子密度与闪电放 电特性及其微观物理过程的相关性。 第三节介绍了用无狭缝摄谱仪获得的山东地区云对地闪电回击过程的光谱，依据 光谱信息，分析了闪电通道等离子体的辐射机制，以及通道内部的箍缩效应，计算了 通道温度、电子密度，并由此推算了闪电通道的电导率，探讨了闪电通道与激光在大 气中激发的等离子体通道的电子温度、密度和电导率等通道特性之间的差异，为激光 引雷物理机制的研究提供了参考数据。 第四章：第一节介绍了人工触发闪电的技术及其意义，第二节介绍了用光学多 道分析仪( o m a ) 获得了山东地区人工触发闪电回击过程的发射光谱，依据光谱信 息，计算了闪电通道等离子体的温度和电子密度：首次结合等离子体理论得到了闪电 通道的电导率，由此讨论了通道的导电特性，分析了通道电导率与回击电流之间的相 关性，为进一步计算回击电流提供了参考数据。 第五章：总结与展望。 6 西北师蒋大学磺士研究生学位论文 参考文献： 【1 】o o l d erh l i g h t n i n g ，a c a d e m i cp r e s s , l o n d o n1 9 7 7 ，v 0 1 1 2 1h e r s c h e lj o nt h el i g h t n i n gs p e c t r u m , p r o c r s o c 。1 8 6 8 ，1 5 ，6 1 - , - 6 2 【3 】s c h u s t e r a o ns p e c t r ao f l i g h t n i n g , p r o c p h y s s o c 1 8 8 0 ，3 ，4 6 - - 5 2 【4 】s l i p h e rv m t h es p e c u u mo f l i g h t n i n g ，b u l l l o w e l lo b s ，1 9 1 7 ，v 0 1 i l l ，n o 7 9 , 4 【5 】j o s e p d t h e i n f r a - r e ds p e c t r u m o f l i g h t n i n g , j g e o p h y s r e s ，1 9 5 0 ，5 5 ，3 9 - - 4 1 【6 】p e t r i ewa n ds m a l l t h en e a ri n f r a - r e ds p e c t r u mo f l i g h t n i n g ，p h y s r e v ，1 9 5 1 ，8 4 ，1 2 6 3 - 1 2 6 4 【7 1s a l a n a v ele t h eo p t i c a ls p e c t r u mo f l i g h m i n g ，s c i e n c e ，n y ，1 9 6 1 ，1 3 4 ，1 3 9 5 - 1 3 9 9 【8 】s a l a n a v ele ，o r v i l l ere ，r i c h a r d sc n s l i t l e s ss 弘c 仃ao fl i g h t o i n gi nt h er e g i o nf r o m3 8 5 0t o 6 9 0 0a n g s t r o m s , j g e o p h y s r e s 。1 9 6 2 ，6 7 ，1 8 7 7 1 8 8 4 【9 】s a l a n a v ele ”r h eo p t i c a ls p e c t r u mo f l i g h t n i n g ”a d v a n c ei ng e o p h y s i c s ，a c a d e m i c p r e s s ，n e w y o r k , 1 9 6 4 ，1 0 , 8 3 - 9 8 【1 0 1s a l a n a v ele t h ei n f r a r e ds p e e t r u r f lo fl i g h t n i n g , l n s te l e c t e l e c t r o n e n g m ，r e g i o ns i x c o n f e r e n c er e c o r d ，t u c s o n , a r i z o n a , 1 9 6 6 【11 】o r v i l l ere ah i g h - s p e e dt i m e - r e s o l v e ds p e c t r o s c o p i cs t u d yo f t h el i g h t n i n gr e t u r ns 仃o k e ：p a r ti i a q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s , j a t m o s s c i ，1 9 6 8 b , 2 5 ，8 3 9 - - 8 5 1 【1 2 1o r v i j j ere al _ l i g h - s p e e dt i m e - r e s o l v e ds p e c t r o s c o p i cs a u l yo f t h el i g h t n i n gr e t u r ns t r o k e ：p a r ti i i a t i m e - d e p e n d e n tm o d e l ，j a t m o s s c i ，1 9 6 8 c ，2 5 ，8 5 2 - 8 5 6 【1 3 f i e u x r p ，g a r y c ，h u b e r t p ，吐a 1 a r t i f i c i a l l y t r i g g e r e d l i g h t n i n ga b o v e l a n d n a t u r e ，1 9 7 5 ， 2 5 7 ：2 1 2 - 2 1 4 【1 4 1 王道洪，郄秀书，郭昌明著雷电与人工引雷上海：上海交通大学出版社，2 0 0 0 1 1 5 l i u ) ( ，w a n gc 。z h a n gy e ta l 。e x p e r i m e n to fa r t i f i c i a l l yt r i g g e r i n gl i g h t n i n gi nc h i n a 。j gr ， 1 9 9 8 。9 9 ，1 0 7 2 7 - 1 0 7 3 l ， 【l6 】张义军，刘欣生，王才伟，等空中人工触发闪电试验及特性分析，高原气象，1 9 9 8 ，1 7 ( i ) ，5 扣“ 【i7 】w e i d m a nc ，b o y ea ，a n dc m w e l ll l i g h t n i n gs p e c t r ai nt h e8 5 0t o1 4 0 0 r i mn e a r - i n f r a r e dr e g i o n , j g e o p h y s r e s ，1 9 8 9 ，9 4 ，1 3 2 4 9 - 1 3 2 5 7 【1 8 】陈亚周，孙永卫，侯民胜，闪电过程物理机制研究，广西气象，2 0 0 0 ，2 1 ( 4 ) ，4 0 - - 4 2 【1 9 1 陈渭民，雷电学原理，北京：气象出版社 2 0 0 3 1 2 0 】e r h a l tdh ，r o h r e rf , w a h n a r a s 黼a n dd i s t r i b u t i o n so f n o xi nt h eu p p e rt r o p o s p h e r e a tn o r t h e nm i d - l a t i t u d e jo o e p h y sr e s , 1 9 9 2 ，9 7 ：3 7 2 5 - 3 7 3 8 7 第一章绪论 2 1 】g o l d e b a u mgc ，d i c k e r s o nrp n i 耐co x i d e sp r o d u c t i o nb yl i g h m i n gd i s c h a r g e s jg o e p h y sr e s ，1 9 9 3 ，9 8 ：1 8 3 3 3 1 8 3 3 8 2 2 】b i a z a r a p , m c n i d e r r t r e g i o n a le s t i m a t e s o f l i g h t n i n g p r o d u c t i o n o f n i t r o g e n o x i d e s jg o e p h y sr e s 。1 9 9 5 ，1 0 0 ：2 2 8 6 1 - - 2 2 8 7 4 【2 3 】郄秀书，郭昌明，张广庶，闪电辐射场的宽带频谱测量及地闪首次回击放电参数的估算，高原气 象。1 9 8 8 ，7 ( 4 ) , 3 1 2 - 3 2 0 【2 4 】孙景群，大气电学基础，气象出版社，1 9 8 7 【2 5 】b o m c k iw la n dc h a m e i d e sw l 1 i g h t n i n g ：e s t i m a t e so f t h er a t e so f e n e r g yd i s s i p a t i o nan i t r o g e n f i x a t i o n r e v i e w so f g e o p h y s i c sa n ds p a c ep h y s i c s s ，1 9 8 4 ，2 2 ：3 6 3 3 7 2 2 6 】b o r u c k iwl m c k a ycra n dw h i t t e nrc p o s s i b l ep r o d u c t i o nb yl i g h t n i n go f a e r o s o l sa n dt r a c e g a s e si nt i a n n sa t m o s p h e r e i c a r u s 6 0 ，1 9 8 4 ，2 6 0 - 2 7 4 【2 j 7 】o r v i l l e e o z o n ep l u d l 9 3 t i o nd u r i n gn i 嘲d e 嘲郴m e a s u r e db yt h e 曲r p 吐o fu l t r a v i o l e t r a d i a t i o nf r o ml i g h t n i n g g e o p h y sr e s ，1 9 6 7 , 7 2 ：3 5 5 7 3 5 6 1 l 西北师范大学磺士研究生学位论文 第二章基本理论概述和实验装置 第一节实验设备 通常，大多数光源发出的光都是复色光，研究光源的物理特性需要将光源发出 的光进行分解，即将不同波长的光按照一定规律分开排列，由此，可以通过实验方法 测量这些被分解的光谱线的波长和强度。光谱仪是用于分解和记录光谱的仪器，它通 常由入射狭缝、准直透镜、分光装置和记录系统几部分组成。通常闪电光谱观测的主 要设备是无狭缝光栅光谱仪和狭缝光谱仪。 l 无狭缝光栅光谱仪 闪电光谱的观测距离一般都在一公里以外，利用通常的狭缝摄谱仪，一次闪电的 进光量往往不足，难以得到可以分辨的光谱，因此，在早期利用狭缝摄谱仪进行的闪 电光谱试验中，都是对一次雷暴过程中的多次闪电累计曝光，这样，记录到的光谱信 息是多次闪电过程的累计效应，而各个闪电以及每个闪电的单次回击之间的物理差异 都被掩盖，所以，无法研究具体闪电放电过程中的物理特性；取掉入射狭缝以后，无 狭缝摄谱仪有足够的进光量，对单次回击曝光就能够得到可以分辨的光谱。因此，可 用于研究闪电放电过程中不同阶段的物理特征，也可获得高时间分辨的闪电光谱，进 而与同步的电学观测相结合，探讨通道物理特性及其随时间的变化。 闪电放电通道是一个狭长的光源，由于通道直径远远小于观测距离，因此，可以 将它看作是相对于光栅无限远的线光源，在获取闪电光谱时，取消光谱仪中的专用狭 缝，将通道本身作为有效狭缝，如图2 1 。 所成的像，即每条谱线的形状与原通道完 入 射_ + 光啼 这样，得到的衍射花样就是实际闪电通道 _ + ： 透射光栅 图2 一l 无狭缝光栅光谱仪 本工作光谱观测采用的无狭缝摄谱仪的记录系统是松下数码摄像机，它采用专 业蔡司镜头，1 2 倍光学变焦，f - - 4 卜5 1 6 m m ，视角= 5 2 。：数字成像系统具有3 组 9 第二章基本理论曩述和和实验装置 c c d ( 电荷耦合器件) 阵列，其感光灵敏度远远高于以往采用感光胶片的摄谱仪，分 辨率为8 0 万像素；为了得到3 9 0 - 6 6 0 n m 波长范围的谱线，分光装置采用每毫米6 0 0 条的透射光栅，其有效面积( 刻划面积) 为4 x 8e m 2 ，闪耀波长为5 0 0 n m 。光栅置于 摄像机的物镜前，其平面与物镜面成2 3 左右的夹角。一级光谱的色散约为1 3 n m 像 素。 2 光学多道分析( o m a ) 无狭缝光谱仪获得的光谱分辨率比狭缝摄谱仪低是无狭缝摄谱仪的缺点之一。狭 缝摄谱仪能够精确地确定波长，并且有很好的分辨率。当闪电产生的光辐射照射到光 谱入口处的垂直取向的狭缝上，狭缝可看做一宽度很窄的直线型等效光源，闪电光辐 射通过狭缝后，经过一准光镜将狭缝形成的直线性光源变为平行光，投射到光栅或棱 镜等色散器件上，最后再经一聚光镜将色散后的闪电光谱记录。 表2 1 光学多道分析仪( o m a ) 的具体参数 光学多道分析仪( o m a ) 制造商 p r i n c e t o ni n s t r u m ( u s a ) 型号 i r y ：7 0 0 6 0 0 ( g m m )1 8 0 0 ( g r a m )2 4 0 0 ( g r a m ) 波长范围 3 0 0 n m - 9 0 0 n m1 9 0 n m 7 0 0 n m1 9 0 n m - 4 5 0 n m 主要指标 色散1 5 n m m m2 0 n m m m6 0 n m m m 分辨率 0 5 n m 聚焦长度2 7 5 m m 本实验中用到单色仪是安装有三光栅的小型单色仪m o n 0 2 7 。单色仪的输出接 有光学多道分析( o m a ) 探头i r y - 7 0 0 g 。光谱信号经探头送到光学多道分析仪，分析 仪一路与计算机相连进行数据处理，另一路送示波器进行观察，为了能够成功地探溯 到闪电的光谱信号，通过程控软件s m a 触发分析仪。仪器的具体参数如表2 1 。 2 0 0 5 年，我们将光学多道分析仪o m a 用于人工触发闪电光谱的观测。人工触发 闪电光谱实验装置如图2 - 2 所示，入射的闪电光信号经直径为5 c m 的凸透镜聚焦于单 色仪( m o n 0 2 7 ，6 0 0 m m ) 的入射狭缝，其宽度为1 0 0 , a m ，光谱分辨率为o 5 n m 。光 1 0 西北舜蓖大学硬士研究生学位论文 谱信号经探头送到光学多道分析仪，分析仪一路与计算机相连进行数据处理，另一路 送示波器进行观察，为了能够成功地探测到闪电的光谱信号，在人工引雷信号触发2 秒后，通过程控软件s m a 触发分析仪。将此装置置于距离人工引雷点附近5 5 0 米处。 于2 0 0 5 年8 月1 日晚1 2 时，成功获得了人工触发闪电通道等离子体的发射光谱。 图2 2 人工触发闪电光谱实验装置 第二带理论基础 等离子体( p l a s m a ) 是一种带电粒子密度达到一定程度的电离气体，它主要由电 子和带电粒子组成，其中电子和离子的电荷总数基本相等，因而作为整体是电中性的。 闪电的放电通道是一个典型的等离子体通道，高温通道中有中性分子、原子、带正电 荷的阳离子、带负电荷的电子等各种粒子。光谱所反映的正是这种等离子体中发生的 物理过程。根据研究工作的需要，可以对光谱作定性分析、半定量分析或定量分析。 闪电光谱定量分析的主要目的是通过光谱特性探讨通道内部的物理状态。由于 闪电放电过程的复杂性和高速变化的特点，给通道物理参量的研究带来了一定的困 难。以往关于闪电光谱的定量分析主要涉及电子密度和通道温度的研究，这方面的定 量研究一般基于以下理论假设 2 】： ( 1 ) 闪电通道对所研究的谱线而言是光薄的； ( 2 ) 闪电通道处于局部热力学平衡( l t e ) 。 1 局部热力学平衡( l 1 咂) 模型 局部热力学平衡是等离子体诊断的前提条件，也是许多物理学问题的出发点。只 有等离子体满足局部热力学平衡( l t e ) ，才能保证等离子体粒子速度满足m a x w e l l 分 布、各带电离子和原予之间满足s a h a 分布、各能级服从b o l t z m a n n 统计分布，从而建 立起辐射量和等离子体各状态参量之间具有明确物理意义的定量关系。 第二章基本理论瓤述和和实验蓑置 为了使l t e 条件成立，电子一原子和电子一离子的碰撞过程必须极为迅速，而且 在等离子体速率方程中起主导作用。在这种情况下，只有电子密度m 足够大，系统 才能达到l t e ，许多学者从不同角度推导出形式十分相近的判据，等离子体满足l t e 的必要条件是唑 m 1 6 x 1 0 1 2 z ”( t l e ) 3 ( i ) 式中m 是闪电通道等离子体的电子密度，e 是所涉及能态间能量差( e v ) ，z 是电子 温度。为保证各能级均满足上述条件，通常采用第一激发态和基态之间的能级差作为 衡量标准。 在闪电通道等离子体中，n i 、n i l 的低激发态占主要地位1 4 】，温度通常在2x1 0 4 k - - 3 x 1 0 k 范围内嘲，a e 在1 0 e v 一3 0 e v 范围内。由( 1 ) 式可得：闪电通道等离子 体满足l t e 的条件是电子密度一般在( 1 0 l 1 0 1 8 ) c m - 3 的范围内。对于闪电通道等 离子体，采用s t a r k 加宽法获得的等离子体的电子密度在l o ”c m - 左右 6 1 ，由此判断闪 电通道等离子体基本上满足l t e 条件。 通过光谱特性，从试验中确定回击通道的电子密度必须要知道通道是否光薄。如 果通道是光薄的，则辐射吸收的平均自由路径大于回击通道的尺度。u m a n l 7 和 o r v i l l e i s 通过对时间累积和时间分辨的闪电光谱的分析，初步得出：对于n i 、n