小議云閃放電通道部分特性參數(shù)

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　　1 引 言

　　在雷暴過程中，云閃發(fā)生的頻數(shù)約占閃電總數(shù)的三分之二以上。云閃放電不僅會給人類航空事業(yè)的發(fā)展造成嚴(yán)重威脅，也會產(chǎn)生大量的植物生長所必需的氮氧化物。這些都離不開閃電放電產(chǎn)生的大電流、強電磁輻射以及伴隨閃電過程復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。而閃電產(chǎn)生的電流、能量和氮氧化物與通道中的熱力學(xué)特性和輸運特性參數(shù)密切相關(guān)。因此，對于云閃放電通道特性的研究就成為相關(guān)領(lǐng)域所關(guān)注的課題。其中，溫度和電子密度作為閃電放電等離子體的基本參數(shù)，對于研究云閃放電通道的物理特性及其云閃放電過程的物理機制至關(guān)重要。

　　電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和熱擴散系數(shù)對于研究通道中電流、能量的分布及輸運特性具有重要意義。

　　利用光譜對于地閃放電通道的一些特性參數(shù)已經(jīng)有一定的研究，如，溫度、電子密度和電導(dǎo)率。這使利用光譜研究閃電通道特性的方法比較成熟、可靠。由于云閃放電的隨機性及其比地閃具有更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，使得對云閃放電通道特性的研究一直停滯不前。目前為止，關(guān)于云閃放電通道溫度的研究很少，而對于云閃放電通道的電子密度、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、熱擴散系數(shù)的研究尚無報道。

　　閃電放電的高溫以及所產(chǎn)生的強大電流和強電磁輻射等特點，使得人們無法接近放電通道進行研究。由于閃電光譜與放電通道內(nèi)的微觀物理過程密切相關(guān)，并且光譜分析是診斷放電通道中等離子體行為的有效方法，因此，利用閃電光譜研究閃電放電通道的一些特性已為人們頻繁使用。

　　本文依據(jù)在西藏地區(qū)用無狹縫光柵攝譜儀拍攝到的云閃放電過程的光譜，在王杰等工作的基礎(chǔ)上，進一步利用saha 方程得到了三次云閃放電通道的電子密度。由于閃電放電通道是一個等離子體通道，而且空氣等離子體的輸運理論已經(jīng)比較成熟，所以我們突破傳統(tǒng)約束，創(chuàng)造性的將其用于研究云閃放電通道的輸運特性，首次計算了云閃放電通道的部分輸運特性參數(shù)，電導(dǎo)率σ 、電子的熱導(dǎo)率eλ 和熱擴散系數(shù)te d ；最后，以云閃21:11:50為例，結(jié)合云閃放電原通道研究了幾個特性參數(shù)在通道不同位置上的變化趨勢，得到了一些有益的結(jié)論。

　　2 理論方法

　　基本假設(shè)

　　利用光譜信息研究閃電放電等離子體的相關(guān)特性參數(shù)，需要建立以下幾個基本假設(shè)：(1)閃電放電通道光學(xué)��；(2)通道處于局域熱力學(xué)平衡(lte)；(3)對放電通道而言，干濕空氣的熱力學(xué)性質(zhì)幾乎相同；(4)物理特性沿通道截面徑向分布均勻。假設(shè)的有效性orville已經(jīng)做過詳細(xì)論證。

　　云閃放電通道的電子密度

　　本工作中用到的三次云閃放電的通道溫度已經(jīng)被王杰等得到，在此基礎(chǔ)上，通常根據(jù)saha 方程計算通道的電子密度。

　　3 云閃放電等離子體的輸運特性參數(shù)

　　等離子體的輸運特性參數(shù)的計算不僅與等離子體的溫度、粒子數(shù)密度等參量有關(guān)，也強烈地依賴于粒子間的碰撞積分。在計算粒子間的碰撞積分時，碰撞粒子間相互作用勢的選取非常重要，考慮到等離子體中其它粒子對碰撞粒子的屏蔽作用，選取荷電粒子間的相互作用勢為屏蔽庫侖相互作用勢。另外，云對地閃電放電等離子體粒子濃度的研究工作已經(jīng)表明:通道中三次以上電離離子的相對濃度很低，它們對通道特性參數(shù)的貢獻很小。

　　4 計算結(jié)果及分析

　　利用無狹縫光柵攝譜儀在我國西藏地區(qū)獲得的云閃放電通道光譜，本工作選取了三張分辨比較清晰的原始光譜，以閃電發(fā)生時間(北京時間)命名，分別標(biāo)記為21:11:50(aug.13.，naqu tibet)、21:23:44 (aug.13.， naqu tibet)、21:14:49(aug.13.， naqu tibet)。根據(jù)通道形狀和光譜的分辨質(zhì)量，在每一個放電通道上選取幾個分辨比較清晰、有代表性的位置，分別做出用譜線相對強度表示的光譜圖。

　　。在每一個通道選取了分辨比較清晰的不同位置，利用ni 和nii 的多條譜線，根據(jù)saha 分布，由(1)式計算了通道的電子密度，在表1 第二列給出；將空氣等離子體的輸運理論應(yīng)用于云閃閃電放電通道，計算了放電通道的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和熱擴散系數(shù)。

　　據(jù)可以看出，三次云閃放電的電子密度ne=1.9501018cm-3~2.4801018cm-3，電導(dǎo)率σ=2.393104s m-1~2.533 104s m-1，電子的熱導(dǎo)率λe=8.619w m-1 k-1~9.319w m-1 k-1，電子的熱擴散系數(shù)det=1.99010-7kg m-1 s-1~2.11510-7kg m-1 s-1。結(jié)合地閃的相關(guān)工作得知，閃電放電的電子密度約為1018cm-3 的量級，電導(dǎo)率應(yīng)在1.0104s m-1~3.0104s m-1 范圍內(nèi)，容易看出，本文得到的云閃放電的電子密度和電導(dǎo)率的數(shù)據(jù)是合理的。因為本工作中研究電導(dǎo)率、電子的熱導(dǎo)率和熱擴散系數(shù)的方法相同，所以得到的數(shù)據(jù)有相同的合理性。因此，我們就可以推斷得到的云閃放電通道的熱導(dǎo)率和熱擴散系數(shù)的數(shù)據(jù)是可靠的。另外，云閃21:23:44 的各參數(shù)都大于云閃21:11:50 和21:14:49 中各參數(shù)的值，主要原因是：結(jié)合原通道來看，云閃21:11:50 和21:14:49 的主通道只有一個，比較直且分叉比較少，而云閃21:23:44是一個雙通道的閃擊，由于兩個通道彼此的影響和二級譜的干擾，并且分叉比較多。

　　最后，以云閃21:11:50 為例，研究了通道不同位置處各參數(shù)與溫度的關(guān)系。

　　電子密度、電導(dǎo)率、電子的熱導(dǎo)率、電子的熱擴散系數(shù)與溫度在通道不同位置的變化關(guān)系，結(jié)合閃電放電原始通道，從曲線圖可以看出：首先，沿著通道的發(fā)展方向，各特性參數(shù)(溫度、電子密度、電導(dǎo)率、電子的熱導(dǎo)率和熱擴散系數(shù))表現(xiàn)出沒有明顯規(guī)律的變化，但總體上均有稍微減小的趨勢。原因主要為：云閃放電通道在空間發(fā)展方向上具有很大的隨機性，并且分支比較多；放電通道從云底開始沿著空間發(fā)展，使得傳輸?shù)碾娏骱湍芰恐饾u減小，通道逐漸降溫，通道中的部分粒子復(fù)合使得離子數(shù)密度減小，同時電導(dǎo)率、電子的熱導(dǎo)率和熱擴散系數(shù)也隨之減小。其次，在曲線圖中，各參數(shù)在每一個拐彎附近呈現(xiàn)出這樣的特點，即拐彎之前上升，經(jīng)過拐彎之后又隨之下降；在分叉處(本工作只選了一個，因為其他幾個分支點附近掃描不到用相對強度表示的掃描圖)附近，各參數(shù)也呈現(xiàn)出與拐彎附近類似的趨勢，即分叉前突然增大，分叉之后又逐漸下降。出現(xiàn)這種變化趨勢的原因可以解釋為：在通道拐彎處箍縮效應(yīng)明顯加劇，使得局部溫度變大，同時使得該處的電流密度變大，進而影響電導(dǎo)率等參數(shù)呈現(xiàn)出與溫度一樣的變化趨勢；在分叉處附近也可以解釋為類似的原因。最后，從四幅曲線圖也可以看出，電子密度、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和熱擴散系數(shù)沿通道的變化趨勢與溫度沿通道的變化規(guī)律基本一模一樣。

　　本工作所得到的云閃放電通道電子密度是用光譜法研究云閃放電通道特性必須的最基本參數(shù)之一，幾乎其它所有特性參數(shù)以及閃電放電的光譜結(jié)構(gòu)和物理特性都依賴于通道溫度和電子密度；在此基礎(chǔ)上，將空氣等離子體的輸運理論應(yīng)用于云閃放電通道特性的研究，進一步獲得了云閃放電通道的電導(dǎo)率、電子的熱導(dǎo)率以及熱擴散系數(shù)，其中，電導(dǎo)率是計算通道電流和能量的必要參量，而熱導(dǎo)率和熱擴散系數(shù)是計算能量、研究閃電產(chǎn)生氮氧化物不可或缺的特性參數(shù)。

　　5 結(jié)論

　　本文利用在西藏地區(qū)用無狹縫攝譜儀獲得的云閃放電光譜，結(jié)合saha 方程得到了三次云閃放電通道的電子密度；在此基礎(chǔ)上，將空氣等離子體的輸運理論應(yīng)用于云閃放電通道，計算了通道的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和熱擴散系數(shù)。提供了西藏地區(qū)三次云閃放電通道部分特性參數(shù)；并發(fā)現(xiàn)云閃21:23:44 的各參數(shù)均大于云閃21:11:50 和21:14:49 的參數(shù)，主要是云閃21:23:44 與其他兩次閃擊的通道結(jié)構(gòu)不同所致。其次，沿著放電通道的發(fā)展方向各參數(shù)總體呈略微減小的趨勢，并且，各參數(shù)在通道每一個拐彎和分叉附近都呈現(xiàn)出類似的變化規(guī)律。

　　這些都將為進一步研究云閃放電通道的電流、能量及產(chǎn)生氮氧化物奠定基礎(chǔ)，并為探討通道物理化學(xué)特性及微觀物理機制提供重要信息。