淺析電子密度與閃電放電特性之間的相關(guān)性

陳琛

摘 要：閃電是一種常見的自然現(xiàn)象，蘊(yùn)藏著巨大的能量。而能量釋放時會產(chǎn)生強(qiáng)大的電流和電壓，給人們的生產(chǎn)和生活帶來極大的破壞。通過介紹閃電特性和等離子體理論，利用等離子體理論分析閃電光譜，并采用Saha方程計(jì)算閃電通道的電子密度，進(jìn)而得出電子密度與閃電特性之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：閃電特性；電子密度；光譜分析；Saha方程

中圖分類號：P427.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.084

閃電放電過程中，各種氣體和原子匯集釋放出巨大的能量，而能量的釋放會形成光輻射。因此，研究閃電的光譜能夠使人們認(rèn)識到閃電放電過程中放電通道的等離子體行為。通過計(jì)算閃電通道的電子密度，可以更加準(zhǔn)確地掌握閃電特性，這對于人們了解自然、防范閃電災(zāi)害具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 閃電特性介紹

1.1 閃電的形成

閃電的形成過程為：云團(tuán)中的水和冰雹在強(qiáng)氣流的作用下相互摩擦、撞擊，進(jìn)而產(chǎn)生大量的靜電。云層內(nèi)質(zhì)地較輕的霧氣會堆積在云層上方且?guī)д?，質(zhì)地較重的冰雹會堆積在云層下方且?guī)ж?fù)電。當(dāng)云層與云層之間發(fā)生相互作用時，會引發(fā)大地產(chǎn)生帶電感應(yīng)。當(dāng)正、負(fù)電荷能量聚集超過承受點(diǎn)時，就會以閃電的方式釋放能量。閃電的形狀通常有線狀、帶狀、片狀和球狀等。閃電可以發(fā)生在天空，也可以發(fā)生在地面。

1.2 閃電的分類

根據(jù)起電原理，可將閃電分為感應(yīng)起電、分離起電、結(jié)冰起電、溫差起電和對流起電。感應(yīng)起電是大氣層中的正、負(fù)離子在云層的相互作用下產(chǎn)生電場力而形成的閃電；云層中的水滴在強(qiáng)氣流的作用下分裂成大小不一的正、負(fù)顆粒，云層上端為較小的帶正電的顆粒，云層下端為較大的帶負(fù)電的顆粒，分離起電是在正、負(fù)電荷的相互作用下產(chǎn)生的閃電；結(jié)冰起電是云層水滴與冰晶正、負(fù)電荷分離所產(chǎn)生的閃電；溫差起電是由于天空與地面存在較大溫差而使大氣凝結(jié)成冰雹，在對流作用下產(chǎn)生靜電感應(yīng)，從而產(chǎn)生的閃電；對流起電是上升氣流與下沉氣流之間發(fā)生碰撞而形成的閃電。

1.3 閃電放電過程

當(dāng)云層的負(fù)電荷與地面的正電荷之間局部電場強(qiáng)度超過大氣游離臨界場強(qiáng)時，會發(fā)生先導(dǎo)放電。先導(dǎo)放電沿閃電放電通道向大地發(fā)展，地面感應(yīng)電荷急劇增加，正電荷沿閃電通道向天空發(fā)展，二者相遇后在通道端部產(chǎn)生高密度的等離子區(qū)。這時，正、負(fù)電荷迅速結(jié)合發(fā)生主放電現(xiàn)象。

2 等離子體理論

2.1 閃電放電等離子體

在閃電放電過程中，瞬間產(chǎn)生的電流可達(dá)數(shù)百千安，由此在閃電放電通道中產(chǎn)生幾萬千瓦時的熱能。這時大氣中的各個分子和原子被電解分離，形成數(shù)以萬計(jì)的電子和離子。這些電離度很高的電離氣體即為閃電放電等離子體。閃電放電等離子體具有正、負(fù)電荷總數(shù)相等的特性，可利用該特性研究閃電放電時閃電通道內(nèi)部的物理狀態(tài)。

2.2 閃電光譜分析

閃電為大氣長尺度放電，發(fā)生時伴隨著強(qiáng)烈的光輻射。通過分析閃電光的譜線持續(xù)時間和強(qiáng)度變化可得出閃電光譜的輻射順序?yàn)橐淮坞婋xNII和OII離子譜線、較低激發(fā)能離子譜線、高激發(fā)能離子譜線。閃電光譜是由多種原子和分子光譜構(gòu)成的。

在2910-9100 波段內(nèi)，閃電原子光譜線包括NII、OII、NI、

OI、H、ArI、CaI、CI等；分子光譜線包括N2（2P）、N2+（1n）、OH、NH、CN等。在強(qiáng)閃過程中，通常躍遷譜線出現(xiàn)的概率大，激發(fā)能量高；在弱閃過程中，躍遷譜線出現(xiàn)的概率小，激發(fā)能量低。

2.3 Saha方程的具體應(yīng)用

假設(shè)閃電通道滿足熱動平衡條件，利用Saha方程對閃電通道中的等離子體電離度用溫度、密度和原子電離能的函數(shù)描述。在閃電等離子通道內(nèi)，各離子和原子的速度滿足Saha分布，由此判定閃電等離子體內(nèi)部電離度決定了閃電通道內(nèi)粒子的分布情況。由此利用Saha方程描述閃電電子密度的表達(dá)式為：

. （1）

式（1）中：k為玻爾茲曼常數(shù)；T為通道溫度；IA為原子譜線的相對強(qiáng)度；II為離子譜線的相對強(qiáng)度；g為統(tǒng)計(jì)權(quán)重；A為躍遷概率；λ為波長；V為原子的電離能；EA為相應(yīng)原子譜線躍遷的激發(fā)能；EI為相應(yīng)離子譜線躍遷的激發(fā)能。

3 電子密度與閃電特性之間的關(guān)系

3.1 光譜總強(qiáng)度與電流的相關(guān)性

閃電放電通道是一種等離子體通道，因此可利用電子密度和溫度反映閃電放電的物理過程。由于閃電發(fā)生的時間和空間具有較大的隨機(jī)性，因此，利用光譜分析、研究閃電放電等離子體特性是目前主要的研究手段。在同一次閃電的不同回?fù)糁?，電流的大小與光譜的總強(qiáng)度是對應(yīng)關(guān)系，首次回?fù)舻淖畲箅娏骺蛇_(dá)到回?fù)舴逯?。這時，閃電所對應(yīng)的光譜總強(qiáng)度也為最高值。通過光譜變化趨勢，可分析閃電放電過程中電流的變化特征。

3.2 首次回?fù)敉ǖ罍囟扰c電流作用積分的相關(guān)性

電流熱效應(yīng)可通過電流作用積分表述，首次回?fù)羟伴W電通道的溫度為環(huán)境溫度。在回?fù)暨^程中，閃電通道溫度急速升高，通道中的電流作用積分也急劇增加，閃電通道溫度變化與電流作用積分成正比，因此可利用電流作用積分計(jì)算閃電的傳輸能量。

3.3 不同回?fù)敉ǖ罍囟扰c作用積分的相關(guān)性

閃電回?fù)敉ǖ罍囟扰c作用積分呈正相關(guān)，但是在不同的回?fù)敉ǖ乐?，等離子體溫度與作用積分卻呈非正相關(guān)。這是因?yàn)橄噜弮纱位負(fù)舻臅r間間隔較短，閃電通道在還沒有冷卻的情況下再次升溫，因此，通道的溫度與作用積分不呈正相關(guān)。

4 結(jié)束語

綜上所述，利用閃電光譜分析電子密度與閃電特性之間的關(guān)系后得出，首次回?fù)魰r閃電通道溫度與電流作用積分成正比，在同一次閃電的不同回?fù)糁校庾V強(qiáng)度與放電電流呈正相關(guān)。利用這種關(guān)系可判斷閃電電流的強(qiáng)度，并通過閃電通道溫度，同時結(jié)合Saha方程，可計(jì)算出閃電的能量值。

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〔編輯：劉曉芳〕