闪电M 分量光谱特征及通道温度和电子密度特性*

王雪娟 许伟群 王海通 杨静 袁萍张其林 化乐彦 张袁瞰

1) (南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室, 气候与环境变化国际合作联合实验室, 气象灾害预报预警与评估协同创新中心, 中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室, 南京 210044)

2) (中国科学院大气物理研究所, 中层大气和全球环境探测重点实验室, 北京 100029)

3) (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)

利用无狭缝光栅摄谱仪记录的一次闪电首次回击后3 个M 分量的光谱资料, 分析了其光谱特征.并结合等离子体理论, 首次计算了闪电M 分量内部核心通道和周围电晕层通道的温度和电子密度.研究了这两个物理量沿通道的变化特性, 并与相应回击放电进行了对比.结果表明: 闪电M 分量的光谱特征相比回击的光谱特征有明显差异, M 分量通道的光辐射主要来自红外波段的光谱线.M 分量放电过程中内部电流核心通道的温度可达40000 K, 电子密度数量级为1018 cm–3.周围电晕层通道的温度为20000 K 左右, 电子密度比核心通道的电子密度小一个数量级.M 分量内部核心通道的温度随通道高度的增加而减小, 周围电晕层通道的温度随通道高度的增加而增大.在内部核心通道, 电子密度随高度基本保持不变.在周围电晕层通道, 通道顶端光强明显增大的两个M 分量其电子密度随通道高度的增加而增大, 顶端光强增加较弱的一个M 分量其电子密度随通道高度基本保持不变.而相应的回击放电, 其内部电流核心通道和外围电晕层通道的温度均随通道高度的增加而增大, 电子密度均沿通道基本保持不变.

1 引 言

M 分量是闪电放电过程中的一个重要子物理过程.它是闪电将云中电荷转移到地面的三种过程(先导-回击、连续电流和M 分量)之一, 是雷电物理研究领域的重要内容.Malan 和Collens[1]于20 世纪30 年代, 首次发现在闪电回击之后的连续电流阶段, 通道持续放电过程中原本发光微弱的通道, 其亮度有时会突然增强, 后来研究者们把这一现象命名为M 分量.M 分量通常是叠加在连续电流过程上的脉冲放电, 它会使原来缓慢变化的连续电流的电场发生突变.因此, 另一种M 分量的描述是指闪电连续电流过程中电流的扰动或暂态增强[2,3].

自闪电M 分量被发现以来, 国内外学者对它的波形特征、电流幅值、转移电荷量、通道发光等进行了相关研究和报道.如Jordan 等[4]报道了M分量光强随时间的波形与相应回击的波形明显不同, M 分量光强随时间的波形呈近似对称结构, 并随通道高度的增加其波形结构和幅值变化很小, 而回击的光强随通道高度的增加明显减小.Thottappillil等[3]报道在电流资料上, M 分量表现为一个对称的电流脉冲波形, 其波形在上升时间和持续时间上均与回击过程有明显差别.Rakov 等[5]报道在电场资料上, M 分量表现为电场波形的钩状特征, 并随距离的增加, M 分量电场随距离的衰减不明显, 而回击电场明显衰减.Qie 等[6]报道了人工触发闪电中63 次M 分量的电流幅值、持续时间、转移电荷量的几何平均值分别为276 A, 1.21 ms, 101 mC.肖桐等[7]报道了人工触发闪电M 分量电磁场和电流在峰值幅度上具有显著的相关性, 几何形状也较一致.吕伟涛等[8]和孔祥贞等[9]通过分析高速摄像资料对M 分量的通道亮度特征也进行了报道.近年来, 随着观测手段的提升和研究的深入, 研究人员也发现了千安量级的大幅值M 分量.其强度和较弱的回击相当, 部分M 分量的幅值超过5 kA,上升时间低于2 µs, 波形接近较小的继后回击.蒋如斌等[10]报道了6 次幅值达到几千安量级的人工触发闪电M 分量, 给出了波形统计特征(幅值为3.8—7.0 kA, 上升时间为12—72 µs).且通过物理模型的反演计算, 认为该类M 分量和通常的M 分量有不同的物理机制, 其产生与闪电通道的状态有一定关系.由上可以看出, 目前对M 分量的相关研究主要是对其宏观放电和发光特征的研究,对其通道内部微观发光信息和物理特性等的研究还很缺乏, 并且现有对M 分量光谱特征的观测研究也非常少.

本文利用无狭缝高速摄谱仪记录的一次闪电首次回击后3 个M 分量的光谱资料, 分析其光谱特征.计算M 分量放电中间核心通道和周围电晕层通道的温度和电子密度.研究这两个物理参量随通道高度的变化特性, 并与相应回击的光谱特征与放电通道的参数进行对比分析.为深入揭示闪电M 分量微观物理过程和发生机制提供一定参考和依据.

2 理论方法

2.1 基本假设

闪电放电电流通常在几微秒内达到几十千安[6],可瞬间将闪电通道加热至气体分子被高度电离, 使整个放电通道成为一个等离子体通道[11].对闪电等离子体光谱的分析需要基于两个基本假设:

1) 通道是光学薄的.Uman 和Orville[12]已分析得出, 闪电光谱中的NII, OII, NI, OI 和Hα谱线满足光学薄条件.

2) 通道满足局部热力学平衡条件.Uman[13]指出闪电回击通道达到热平衡的时间为0.01 µs 量级, 故闪电通道满足局部热力学平衡.

2.2 通道温度

基于以上基本假设, 选取同一元素同一电离度的多条谱线, 如闪电光谱中的主要发射谱线NI, OI,NII 和OII 谱线等, 可通过下式来计算通道温度[11]:

式中,c为常数;I表示谱线强度;λ表示谱线波长;g,A,E和k分别表示统计权重、跃迁概率、上激发能和玻尔兹曼常数.

2.3 电子密度

电子密度是反映等离子体的重要特性参数.谱线的Stark 加宽是研究闪电放电通道电子密度的有效方法, 谱线Stark 加宽的半经验公式为[14]

式中, Δλ1/2为谱线的半高全宽,Ne为电子密度,ω为加宽参数.

3 资料分析

分析资料来源于无狭缝高速摄谱仪在中国青海记录到的一次负地闪首次回击后伴随的长连续电流过程上叠加的3 个M 分量[15,16].摄谱仪的拍摄速率为6500 帧/秒 (fps), 分辨率为1280 × 400.由光声差可推测出该闪电的观测距离约为1.5 km.图1 给出了整个过程的原始发光图片.为了方便,将回击R 发生的时间定义为0 ms.回击R 前的先导只记录了两张图片, 发生时刻分别为–2.618 ms和–2.464 ms.根据回击通道的分支方向可判断回击前的先导为下行先导.由图1 可以看出, 在–2.464 ms时, 先导通道明显短于在–2.618 ms 时的先导通道,且发光也较弱.另外, 先导与回击R 之间的时间间隔大于2 ms.这均不同于一般的负地闪.

图1 中回击R 之后, 原通道分支消失, 伴随有一个持续时间大约为2.464 ms 的长连续电流过程,并在连续电流过程上叠加有3 个M 分量, 分别用M1, M2, M3 表示.对应时刻分别为0.154, 0.770和1.386 ms.M1 与M2, M2 与M3 之间的时间间隔均为0.616 ms.M1 和M2 对应的通道亮度明显大于回击R 的通道亮度.M1, M2 通道顶端的径向发光范围和发光亮度明显大于通道底端的径向发光范围和发光亮度.

为进一步比较分析M 分量和回击的发光特性,图2 给出了回击R 与M1, M2, M3 的原始光谱,波长范围为400—1000 nm.图2 中每一张图片的右侧和左侧分别对应零级光谱和一级光谱.零级光谱即反映闪电放电的原始通道.将R, M1, M2,M3 的一级原始光谱图片转化为对应通道某一高度位置处的谱线图, 如图3 所示.

由图2 和图3 可以看出, M1, M2, M3 与回击R 的光谱结构大体相似, 谱线组成基本相同.在可见范围内, 光谱线主要为激发能较高的一次电离的NII 离子线(20—30 eV).在红外波段, 光谱线则主要为激发能较低的中性NI 和OI 原子线(10—14 eV).比较回击R 和3 个M 分量的各谱线强度,可以发现, M1, M2, M3 在可见波段的离子线强度明显小于回击R 在可见波段的离子线强度.并在M1, M2, M3 的整个发射光谱中, 可见波段的离子线强度明显小于其红外波段的原子线强度.由此可得, 对于M 分量放电过程, 其通道发光主要来自红外波段的光辐射.该结论对闪电的光学监测等工作具有重要的指导意义.例如, 利用光学观测研究闪电M 分量的放电过程时, 所选观测仪器设备的感光范围是非常重要的考虑因素.

图1 回击和M 分量的原始发光通道Fig.1.Original channels of lightning return stroke and M-components.

图2 回击R 和M1, M2, M3 的原始光谱Fig.2.Original spectrum of R, M1, M2 and M3.

图3 回击R 和M1, M2, M3 对应通道某一高度处的谱线图Fig.3.Spectrum of R, M1, M2 and M3 at a given height of the channels.

由于闪电放电通道由两部分组成[17−20], 中间是直径为厘米量级的电流核心通道, 周围是直径为米量级的电晕层通道.具有较高激发能的NII辐射主要来自中间的电流核心通道, 具有较低激发能的NI 和OI 辐射主要来自周围的电晕层通道[12,18−25].因此, 结合等离子体理论, 利用NII 线计算可得到反映闪电内部电流核心通道的物理特性参数, 利用NI 或OI 线计算可得到反映周围电晕层通道的物理特性参数.本文根据NII 463.0,500.5, 568.0 和594.2 nm 谱线的强度和跃迁参数,利用(1)式计算得到了M 分量和回击两种放电过程电流核心通道的温度; 根据OI 715.7, 777.4,794.7 和844.6 nm 谱线的强度和相应的跃迁参数,利用(1)式计算得到了M 分量和回击放电过程周围电晕层通道的温度.另外, 根据谱线轮廓选取了NII 444.7 nm 和OI 777.4 nm 两条谱线, 由它们的加宽利用(2)式分别计算得到了两种放电过程内部核心通道和周围电晕层通道的电子密度.这里计算用到的谱线OI 777.4 nm 是实现星载闪电探测和定位系统的首选谱线[26].

在同一放电通道的不同位置, 其各物理参数会有所不同.为分析M 分量放电通道的温度和电子密度随通道高度的变化规律, 在R, M1, M2, M3的通道底端到顶端均匀选取了30 个位置, 部分位置标记在图2(a)中.

图4 给出了R 与M1, M2, M3 核心通道温度Tcore沿通道高度的变化.可以发现: 回击R 内部核心通道的温度随通道高度的增加呈增加的趋势, M1,M2, M3 内部核心通道的温度随通道高度的增加明显呈减小的趋势.对于一般下行负地闪, 其回击放电核心通道中由NII 线计算得到的温度随通道高度的增加呈减小的趋势[27].由于下行负地闪回击放电时, 纵向电流在核心通道内由通道底端向上传输, 加上电流的积累效应, 所以核心通道底端的温度大于顶端的温度.本工作中由NII 离子线计算的回击R 核心通道的温度随通道高度的增加而增加,与一般的负地闪回击核心通道温度的变化规律相反.这可能与回击R 前先导的传输特性相关.由图1 明显看出, 相比在–2.618 ms 时的先导图片,在–2.464 ms 时, 先导只在通道上部进行了传输,未向下传输, 这意味着此时先导只加热了通道上部.这可能是导致后续回击R 核心通道温度在顶端较高的一个重要原因.此外, 3 个M 分量核心通道的温度随通道高度的增加而减小, 与一般通常的负地闪回击核心通道温度的变化规律相同.并且这3 个M 分量核心通道内温度沿通道的变化与Wang 等[16]报道的此3 个M 分量的离子线总强度沿通道的变化规律一致.

图4 R, M1, M2, M3 核心通道的温度沿通道的变化Fig.4.Variations of the temperatures along the core channel for R, M1, M2 and M3.

图5 给出了R, M1, M2, M3 核心通道内电子密度ne,core随通道高度的变化.可以看出: 回击R 与M1, M2, M3 核心通道的电子密度均沿通道基本保持不变.这与一般没有伴随连续电流过程下行负地闪的研究结果有所不同.对于一般没有伴随连续电流过程的下行负地闪回击, 核心通道的电子密度随通道高度的增加而减小[28].此闪电回击R 后伴随有长连续电流过程, 并且M 分量是沿着回击已形成的通道传输, 所以M1, M2, M3 和回击R 的电子密度沿通道的传输特性基本相似.另外, 回击R 核心通道内的电子密度沿通道保持不变, 可能也与回击前先导的传输特性相关.

图4 中R, M1, M2, M3 核心通道温度的平均值分别 为36040, 43940, 42560 和43350 K.图5中R, M1, M2, M3 核心通道电子密度的平均值分别为3.51 × 1018, 6.56 × 1018, 5.52 × 1018和5.49 ×1018cm–3.Orville[21]报道闪电回击通道的峰值温度最高可达到36000 K, 电子密度约为1018cm–3的数量级, 与图4 和图5 中利用NII 离子线计算得到的回击R 核心通道的温度和电子密度结果比较接近.M1, M2, M3 核心通道的温度和电子密度的平均值均高于相应回击R 核心通道的温度和电子密度的平均值.这是因为温度与电流的时间积分有关, 即温度不仅与电流大小有关, 还与电流作用时间有关.在回击R 过后的连续电流阶段, 由于电流的持续加热作用, M 分量过程的温度整体比回击时刻的温度高.并且由于通道持续向地面转移电荷, M 分量放电通道的电子密度也会较高.

图6 给出了R, M1, M2, M3 外围电晕层通道温度Tcorona沿通道的变化.可以看出: 回击R 和M1,M2, M3 外围电晕层通道的温度都随通道高度的增加而增大.依据闪电电晕层通道的动力学原理[18−20],电晕层通道是由沉积在核心通道中的电荷产生超过击穿电场阈值的径向电场, 使得电荷沿径向运动, 向外扩展形成的.由于此闪电存在长连续电流,云中储存有大量电荷, 这些云中储存的电荷不断从核心通道向下运动, 并向外移动形成电晕层通道,同时形成电晕电流, 加上电流的累积效应, 导致R,M1, M2, M3 电晕层通道的温度在顶端较大.这与图6 所得的结果一致.另外, 这3 个M 分量外围电晕层通道温度沿通道的变化与它们光谱总强度沿通道的变化规律一致[16].

图5 R, M1, M2, M3 核心电流通道的电子密度随通道的变化Fig.5.Variations of the electron densities along the core channel for R, M1, M2 and M3.

图6 R, M1, M2, M3 电晕层通道的温度随通道高度的变化Fig.6.Variations of the temperatures along the outer corona channel for R, M1, M2 and M3.

图7 R, M1, M2, M3 电晕层通道的电子密度随通道高度的变化Fig.7.Variations of the electron densities along the outer corona channel for R, M1, M2 and M3.

图7 给出了R, M1, M2, M3 外围电晕层通道的电子密度ne,corona沿通道的变化.可以看出: 回击R 和M3 电晕层通道的电子密度随通道高度的增加没有明显变化.M1 和M2 电晕层通道的电子密度随通道高度的增加而增大.这与它们电晕通道内电流的大小相关.由图1 和图2 也可以看出, M1和M2 通道顶端的发光明显强于回击R 和M3 通道顶端的发光.

图6 中R, M1, M2, M3 外围电晕层通道温度的平均值分别为19410, 20050, 18380 和17210 K.图7 中R, M1, M2, M3 外围电晕层通道电子密度的平均值分别为4.14 × 1017, 4.97 × 1017, 4.71 ×1017和3.94×1017cm–3.明显低于图4 与图5 中相应核心通道的温度和电子密度.R, M1, M2, M3 外围电晕层通道的温度比各自内部核心通道的温度分别低16630, 23890, 24180 和26140 K.电子密度在外围电晕层通道比在核心通道低了一个数量级.

Orville 和Henderson[29]依据中性原子线OI 777.4/794.7 nm 和OI 844.7/794.7 nm, 利用二谱线法计算得到温度约13000—17000 K.Weidman等[30]根据NI 868.0/1011.3 nm 推算得到人工触发闪电的通道温度为16000 K 左右.以上与图6 中利用OI 的多谱线法得到的R, M1, M2, M3 电晕层通道温度的平均值17210—20050 K 比较接近.由于早期的报道结果都是利用二谱线法, 比较而言, 利用多谱线法的计算结果应当更加可靠[31].

Mu 等[14]研究了没有伴随连续电流和M 分量过程的一般负地闪回击, 发现其周围电晕层通道的温度比内部核心通道的温度低4000—5000 K.而此闪电回击R, 由于其先导的特殊性, 导致核心通道内的温度较高, 比周围电晕层通道的温度高16630 K.由于电流的持续作用, M1, M2, M3 的核心通道温度与周围电晕层通道温度的差值相比回击更高, 分别为23890, 24180 和26140 K.核心通道的能量沿径向的传输是外围通道发光的主要原因, 所以通道温度沿径向应逐渐降低.早期关于闪电光谱的工作由于无法同时记录到可见和红外波段的光谱, 关于通道温度沿径向分布的报道非常少, 这方面还需要进一步深入的探究.

4 结 论

依据无狭缝光栅摄谱仪记录的一次闪电首次回击后3 个M 分量的光谱资料, 计算的M 分量核心通道的温度平均值为42560—43940 K, 电子密度平均值为5.49—6.56 × 1018cm–3.电晕层通道的温度平均值为17210—20050 K, 电子密度平均值为3.94—4.97 × 1017cm–3.计算的相应回击核心通道的温度平均值为36040 K, 电子密度平均值为3.51 × 1018cm–3.电晕层通道的温度平均值为19410 K, 电子密度平均值为4.14 × 1017cm–3.回击核心通道的温度和电子密度低于M 分量核心通道的温度和电子密度.并且回击R 核心通道的温度随通道高度的增加而增大, 而3 个M 分量核心通道的温度随通道高度的增加而减小.回击R 和3 个M 分量核心通道的电子密度沿通道均基本保持不变.在外围电晕层通道, 回击R 和3 个M 分量的温度都随通道高度的增加而增大.而电子密度, M1 和M2 随通道高度的增加而增大, 回击R 和M3 随通道高度的增加没有明显的变化.