云地闪电回击通道不同阶段的输运特性

董彩霞

（青海高等职业技术学院，青海乐都，810799）

0 前言

根据闪电光谱的研究结果显示，闪电放电通道可以当作是一种典型的等离子体通道，而内部的电子密度和温度直观地反映了闪电放电过程的物理特性，其他表示通道特征的物理参数均可以用其有关温度和电子密度的函数来描述。由回击通道的电子密度和温度可以确定通道内的电导率，热导率，热扩散系数，相对质量密度，同种粒子浓度(如NI 浓度、NII 浓度等)[1]等反映通道物理特征的基本参数。电导率是反映等离子体通道内电子和各种离子的转移特性，也是反映闪电放电通道导电特性和输运特性的基本参数。热导率描述由于温度的逐渐变化，不同化学元素之间的化学反映的产生而存在的能量传递和转换；热扩散系数与等离子体中因为温度的变化而导致的大量粒子的转移密切相关，同时与粒子之间的碰撞积分相关。

从目前的研究结果来看，利用有关光谱谱线信息研究云对地闪电通道热导率及热扩散系数的工作不是很多，此项工作依据无狭缝光栅摄谱仪在高原地区得到的闪电多个回击过程的光谱，结合空气等离子体通道的传输理论，在LTE 模型下估算了闪电通道不同回击不同时刻的基本参数，进而得到并利用图表的形式分析这些特性参数随时间变化的规律和特征。

1 理论分析过程

1.1 等离子体通道温度

在LTE 模型下，依据闪电回击光谱，利用多谱线法计算通道温度[5]。

上述表达式中，λ 表示谱线的波长，c 是一个常数，I表示闪电光谱线的相对强度，E 为谱线跃迁的上激发能，k表示玻尔兹曼常数，为已知量，A 为谱线跃迁几率，g 表示统计权重。选择氧原子的多条谱线，并且用的值作为纵坐标， E 的数值作为横坐标作出曲线图，并进行线性拟合，拟合后的曲线斜率就是-1/kT，解方程即可得到通道温度T。

1.2 利用Stark 加宽计算电子密度

利用Stark 展宽计算电子密度有如下假设：与Stark 加宽相比，自然加宽，共振加宽，仪器加宽，Doppler 加宽等对谱线的影响很小，Stark 效应在展宽机制中起主要作用。由于离子微扰场引起的加宽非常小，准静态的粒子展宽贡献约小于4%，可以忽略。则电子密度表达式可简化为：

其中，ω表示电子碰撞展宽系数，根据光谱线的半高全宽参数及相应的加宽参数，利用上式就可以得到等离子体内的电子密度。

1.3 通道内的输运系数

等离子体放电通道内的物理输运特性主要由D(扩散系数)，λ（热导率）和σ（电导率）的数值来描述。而这些输运系数的精确值很大程度上依赖于局部等离子体状态的物理特性，即取决于不同化学组成成分在给定位置和给定条件下的速度、数密度和质量等因素。同时这些输运系数与等离子体通道内含有的各粒子的浓度、压强、温度以及电子密度等参数密切相关，同时也强烈依赖于粒子间的碰撞积分。利用一次、二次粒子之间的碰撞积分理论，并结合空气等离子体的传输理论，可以得到闪电放电通道内部的输运系数（λe，DeT）：

a.电子的热导率[7]

b.电子的热扩散系数[7]

其中，上面表达式中的qmp元主要依赖于等离子体通道内的粒子数密度，电子密度和粒子间的碰撞积分。

2 计算结果及数据分析

根据光栅摄谱仪拍摄的闪电回击过程的光谱图像，选取谱线比较清晰的光谱图片进行研究分析，原始的光谱是对云地闪电全通道分光的图片，沿着闪电通道分布方向，选取谱线分辨率较好的位置，并将其转化为用谱线的相对强度表示的光谱，如图所示。图1 表示同一次云对地闪电不同回击通道多个时刻的一次完整的放电过程的光谱，以闪电发生时间和回击顺序命名为16:20:49，R0 是首次回击，R1-R3 表示对应的继后回击，共有四个回击过程。

图1 谱线相对强度表示闪电16:20:49 各回击通道的光谱

依据闪电光谱信息，利用(1)式和氧中性原子OI 的四条谱线：777.4，794.7，844.6 和926.3，计算出这次云对地闪电放电通道各个回击不同时刻的平均温度，由OI777.4 的Stark 加宽方法计算出通道内对应的电子密度。最后利用上述理论方法中的(3)，(4)式得到16:20:49 闪电通道各个回击不同阶段的热导率，热扩散系数，其计算结果如表1 所示。

表1 闪电（16:20:49）各回击不同阶段的特性参数

从计算结果可以得出，首次回击0 时刻的平均温度最高，电子密度及输运系数也较大，其次是R1，R2，R3，随着时间的变化，通道内的电子密度和温度随时间逐渐减小；同时，根据等离子体的理论方法得到闪电通道内的电子的热导率的数值在3.17 Wm-1K-1至5.46 Wm-1K-1的范围内，热扩散系数的数值在0.72×10-7kgm-1s-1至1.15×10-7kgm-1s-1的范围内，而且随着时间的推移，输运系数均表现出出减小的趋势。

3 结论

图2 输运系数随时间的变化

以高原地区云对地闪电回击过程的闪电光谱为例，依据闪电光谱谱线的相对强度等相关信息，分析了一次完整的云对地闪电的放电过程。根据计算结果得出，同一云地闪的不同回击所对应的光谱，谱线轮廓和相对强度的差异比较明显。利用氧中性原子的多条谱线，由多谱线法计算出通道温度；用谱线的Stark 加宽获得电子密度，进而利用粒子间的碰撞积分得到同一闪电不同时刻的放电通道的输运特性参数值都在合理范围内。结果显示：对于不同的回击过程，通道温度较高的，对应的输运系数也较高，即输运特性与温度和电子密度呈现正相关，输运特性参数与温度的变化趋势一样，在不同时间阶段均有减小的趋势。