淺析電子密度與閃電放電特性之間的相關性

陳琛

摘 要：閃電是一種常見的自然現象，蘊藏著巨大的能量。而能量釋放時會產生強大的電流和電壓，給人們的生產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方程計算閃電通道的電子密度，進而得出電子密度與閃電特性之間的關系。

關鍵詞：閃電特性；電子密度；光譜分析；Saha方程

中圖分類號：P427.3 文獻標識碼：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識到閃電放電過程中放電通道的等離子體行為。通過計算閃電通道的電子密度，可以更加準確地掌握閃電特性，這對于人們了解自然、防范閃電災害具有非常重要的現實意義。

1 閃電特性介紹

1.1 閃電的形成

閃電的形成過程為：云團中的水和冰雹在強氣流的作用下相互摩擦、撞擊，進而產生大量的靜電。云層內質地較輕的霧氣會堆積在云層上方且帶正電，質地較重的冰雹會堆積在云層下方且帶負電。當云層與云層之間發生相互作用時，會引發大地產生帶電感應。當正、負電荷能量聚集超過承受點時，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。閃電可以發生在天空，也可以發生在地面。

1.2 閃電的分類

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

1.3 閃電放電過程

當云層的負電荷與地面的正電荷之間局部電場強度超過大氣游離臨界場強時，會發生先導放電。先導放電沿閃電放電通道向大地發展，地面感應電荷急劇增加，正電荷沿閃電通道向天空發展，二者相遇后在通道端部產生高密度的等離子區。這時，正、負電荷迅速結合發生主放電現象。

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，瞬間產生的電流可達數百千安，由此在閃電放電通道中產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，形成數以萬計的電子和離子。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、負電荷總數相等的特性，可利用該特性研究閃電放電時閃電通道內部的物理狀態。

2.2 閃電光譜分析

閃電為大氣長尺度放電，發生時伴隨著強烈的光輻射。通過分析閃電光的譜線持續時間和強度變化可得出閃電光譜的輻射順序為一次電離NII和OII離子譜線、較低激發能離子譜線、高激發能離子譜線。閃電光譜是由多種原子和分子光譜構成的。

在2910-9100 波段內，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。在強閃過程中，通常躍遷譜線出現的概率大，激發能量高；在弱閃過程中，躍遷譜線出現的概率小，激發能量低。

2.3 Saha方程的具體應用

假設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描述。在閃電等離子通道內，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部電離度決定了閃電通道內粒子的分布情況。由此利用Saha方程描述閃電電子密度的表達式為：

. （1）

式（1）中：k為玻爾茲曼常數；T為通道溫度；IA為原子譜線的相對強度；II為離子譜線的相對強度；g為統計權重；A為躍遷概率；λ為波長；V為原子的電離能；EA為相應原子譜線躍遷的激發能；EI為相應離子譜線躍遷的激發能。

3 電子密度與閃電特性之間的關系

3.1 光譜總強度與電流的相關性

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。由于閃電發生的時間和空間具有較大的隨機性，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擊中，電流的大小與光譜的總強度是對應關系，首次回擊的最大電流可達到回擊峰值。這時，閃電所對應的光譜總強度也為最高值。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 首次回擊通道溫度與電流作用積分的相關性

電流熱效應可通過電流作用積分表述，首次回擊前閃電通道的溫度為環境溫度。在回擊過程中，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算閃電的傳輸能量。

3.3 不同回擊通道溫度與作用積分的相關性

閃電回擊通道溫度與作用積分呈正相關，但是在不同的回擊通道中，等離子體溫度與作用積分卻呈非正相關。這是因為相鄰兩次回擊的時間間隔較短，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。

4 結束語

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系后得出，首次回擊時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擊中，光譜強度與放電電流呈正相關。利用這種關系可判斷閃電電流的強度，并通過閃電通道溫度，同時結合Saha方程，可計算出閃電的能量值。

參考文獻

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[3]袁萍，常正實.利用Saha方程和H線的Stark加寬研究閃電放電通道的電子密度[J].西北師范大學學報（自然科學版），2010（05）.

〔編輯：劉曉芳〕