小議雲閃放電通道部分特性參數

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1 引 言

在雷暴過程中，雲閃發生的頻數約佔閃電總數的三分之二以上。雲閃放電不僅會給人類航空事業的發展造成嚴重威脅，也會產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生的大電流、強電磁輻射以及伴隨閃電過程複雜的化學反應。而閃電產生的電流、能量和氮氧化物與通道中的熱力學特性和輸運特性參數密切相關。因此，對於雲閃放電通道特性的研究就成為相關領域所關注的課題。其中，温度和電子密度作為閃電放電等離子體的基本參數，對於研究雲閃放電通道的物理特性及其雲閃放電過程的物理機制至關重要。

電導率、熱導率和熱擴散係數對於研究通道中電流、能量的分佈及輸運特性具有重要意義。

利用光譜對於地閃放電通道的一些特性參數已經有一定的研究，如，温度、電子密度和電導率。這使利用光譜研究閃電通道特性的方法比較成熟、可靠。由於雲閃放電的隨機性及其比地閃具有更復雜的結構，使得對雲閃放電通道特性的研究一直停滯不前。目前為止，關於雲閃放電通道温度的研究很少，而對於雲閃放電通道的電子密度、電導率、熱導率、熱擴散係數的研究尚無報道。

閃電放電的高温以及所產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。由於閃電光譜與放電通道內的微觀物理過程密切相關，並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。

本文依據在西藏地區用無狹縫光柵攝譜儀拍攝到的雲閃放電過程的光譜，在王傑等工作的基礎上，進一步利用saha 方程得到了三次雲閃放電通道的電子密度。由於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比較成熟，所以我們突破傳統約束，創造性的將其用於研究雲閃放電通道的輸運特性，首次計算了雲閃放電通道的部分輸運特性參數，電導率σ 、電子的熱導率eλ 和熱擴散係數te d ；最後，以雲閃21:11:50為例，結合雲閃放電原通道研究了幾個特性參數在通道不同位置上的變化趨勢，得到了一些有益的結論。

2 理論方法

基本假設

利用光譜信息研究閃電放電等離子體的相關特性參數，需要建立以下幾個基本假設：(1)閃電放電通道光學薄；(2)通道處於局域熱力學平衡(lte)；(3)對放電通道而言，乾濕空氣的熱力學性質幾乎相同；(4)物理特性沿通道截面徑向分佈均勻。假設的有效性orville已經做過詳細論證。

雲閃放電通道的電子密度

本工作中用到的三次雲閃放電的通道温度已經被王傑等得到，在此基礎上，通常根據saha 方程計算通道的電子密度。

3 雲閃放電等離子體的輸運特性參數

等離子體的輸運特性參數的計算不僅與等離子體的温度、粒子數密度等參量有關，也強烈地依賴於粒子間的碰撞積分。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，雲對地閃電放電等離子體粒子濃度的研究工作已經表明: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的貢獻很小。

4 計算結果及分析

利用無狹縫光柵攝譜儀在我國西藏地區獲得的雲閃放電通道光譜，本工作選取了三張分辨比較清晰的原始光譜，以閃電發生時間(北京時間)命名，分別標記為21:11:50(，naqu tibet)、21:23:44 (， naqu tibet)、21:14:49(， naqu tibet)。根據通道形狀和光譜的分辨質量，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saha 分佈，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用於雲閃閃電放電通道，計算了放電通道的電導率、熱導率和熱擴散係數。

據可以看出，三次雲閃放電的電子密度ne=1.950×1018cm-3~2.480×1018cm-3，電導率σ=2.393×104s m-1~2.533 ×104s m-1，電子的熱導率λe=8.619w m-1 k-1~9.319w m-1 k-1，電子的熱擴散係數det=1.990×10-7kg m-1 s-1~2.115×10-7kg m-1 s-1。結合地閃的相關工作得知，閃電放電的電子密度約為1018cm-3 的量級，電導率應在1.0×104s m-1~3.0×104s m-1 範圍內，容易看出，本文得到的雲閃放電的電子密度和電導率的數據是合理的。因為本工作中研究電導率、電子的熱導率和熱擴散係數的方法相同，所以得到的數據有相同的合理性。因此，我們就可以推斷得到的雲閃放電通道的熱導率和熱擴散係數的數據是可靠的。另外，雲閃21:23:44 的各參數都大於雲閃21:11:50 和21:14:49 中各參數的值，主要原因是：結合原通道來看，雲閃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，由於兩個通道彼此的影響和二級譜的干擾，並且分叉比較多。

最後，以雲閃21:11:50 為例，研究了通道不同位置處各參數與温度的關係。

電子密度、電導率、電子的熱導率、電子的熱擴散係數與温度在通道不同位置的變化關係，結合閃電放電原始通道，從曲線圖可以看出：首先，沿着通道的發展方向，各特性參數(温度、電子密度、電導率、電子的熱導率和熱擴散係數)表現出沒有明顯規律的變化，但總體上均有稍微減小的趨勢。原因主要為：雲閃放電通道在空間發展方向上具有很大的隨機性，並且分支比較多；放電通道從雲底開始沿着空間發展，使得傳輸的電流和能量逐漸減小，通道逐漸降温，通道中的部分粒子複合使得離子數密度減小，同時電導率、電子的熱導率和熱擴散係數也隨之減小。其次，在曲線圖中，各參數在每一個拐彎附近呈現出這樣的特點，即拐彎之前上升，經過拐彎之後又隨之下降；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，各參數也呈現出與拐彎附近類似的趨勢，即分叉前突然增大，分叉之後又逐漸下降。出現這種變化趨勢的原因可以解釋為：在通道拐彎處箍縮效應明顯加劇，使得局部温度變大，同時使得該處的電流密度變大，進而影響電導率等參數呈現出與温度一樣的變化趨勢；在分叉處附近也可以解釋為類似的原因。最後，從四幅曲線圖也可以看出，電子密度、電導率、熱導率和熱擴散係數沿通道的變化趨勢與温度沿通道的變化規律基本一模一樣。

本工作所得到的雲閃放電通道電子密度是用光譜法研究雲閃放電通道特性必須的最基本參數之一，幾乎其它所有特性參數以及閃電放電的光譜結構和物理特性都依賴於通道温度和電子密度；在此基礎上，將空氣等離子體的輸運理論應用於雲閃放電通道特性的研究，進一步獲得了雲閃放電通道的電導率、電子的熱導率以及熱擴散係數，其中，電導率是計算通道電流和能量的必要參量，而熱導率和熱擴散係數是計算能量、研究閃電產生氮氧化物不可或缺的特性參數。

5 結論

本文利用在西藏地區用無狹縫攝譜儀獲得的雲閃放電光譜，結合saha 方程得到了三次雲閃放電通道的電子密度；在此基礎上，將空氣等離子體的輸運理論應用於雲閃放電通道，計算了通道的電導率、熱導率和熱擴散係數。提供了西藏地區三次雲閃放電通道部分特性參數；並發現雲閃21:23:44 的各參數均大於雲閃21:11:50 和21:14:49 的參數，主要是雲閃21:23:44 與其他兩次閃擊的通道結構不同所致。其次，沿着放電通道的發展方向各參數總體呈略微減小的趨勢，並且，各參數在通道每一個拐彎和分叉附近都呈現出類似的變化規律。

這些都將為進一步研究雲閃放電通道的電流、能量及產生氮氧化物奠定基礎，併為探討通道物理化學特性及微觀物理機制提供重要信息。