閃電M 分量光譜特征及通道溫度和電子密度特性*

王雪娟 許偉群 王海通 楊靜 袁萍張其林 化樂彥 張袁瞰

1) (南京信息工程大學氣象災害教育部重點實驗室, 氣候與環境變化國際合作聯合實驗室, 氣象災害預報預警與評估協同創新中心, 中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室, 南京 210044)

2) (中國科學院大氣物理研究所, 中層大氣和全球環境探測重點實驗室, 北京 100029)

3) (西北師范大學物理與電子工程學院, 甘肅省原子分子物理與功能材料重點實驗室, 蘭州 730070)

利用無狹縫光柵攝譜儀記錄的一次閃電首次回擊后3 個M 分量的光譜資料, 分析了其光譜特征.并結合等離子體理論, 首次計算了閃電M 分量內部核心通道和周圍電暈層通道的溫度和電子密度.研究了這兩個物理量沿通道的變化特性, 并與相應回擊放電進行了對比.結果表明: 閃電M 分量的光譜特征相比回擊的光譜特征有明顯差異, M 分量通道的光輻射主要來自紅外波段的光譜線.M 分量放電過程中內部電流核心通道的溫度可達40000 K, 電子密度數量級為1018 cm–3.周圍電暈層通道的溫度為20000 K 左右, 電子密度比核心通道的電子密度小一個數量級.M 分量內部核心通道的溫度隨通道高度的增加而減小, 周圍電暈層通道的溫度隨通道高度的增加而增大.在內部核心通道, 電子密度隨高度基本保持不變.在周圍電暈層通道, 通道頂端光強明顯增大的兩個M 分量其電子密度隨通道高度的增加而增大, 頂端光強增加較弱的一個M 分量其電子密度隨通道高度基本保持不變.而相應的回擊放電, 其內部電流核心通道和外圍電暈層通道的溫度均隨通道高度的增加而增大, 電子密度均沿通道基本保持不變.

1 引 言

M 分量是閃電放電過程中的一個重要子物理過程.它是閃電將云中電荷轉移到地面的三種過程(先導-回擊、連續電流和M 分量)之一, 是雷電物理研究領域的重要內容.Malan 和Collens[1]于20 世紀30 年代, 首次發現在閃電回擊之后的連續電流階段, 通道持續放電過程中原本發光微弱的通道, 其亮度有時會突然增強, 后來研究者們把這一現象命名為M 分量.M 分量通常是疊加在連續電流過程上的脈沖放電, 它會使原來緩慢變化的連續電流的電場發生突變.因此, 另一種M 分量的描述是指閃電連續電流過程中電流的擾動或暫態增強[2,3].

自閃電M 分量被發現以來, 國內外學者對它的波形特征、電流幅值、轉移電荷量、通道發光等進行了相關研究和報道.如Jordan 等[4]報道了M分量光強隨時間的波形與相應回擊的波形明顯不同, M 分量光強隨時間的波形呈近似對稱結構, 并隨通道高度的增加其波形結構和幅值變化很小, 而回擊的光強隨通道高度的增加明顯減小.Thottappillil等[3]報道在電流資料上, M 分量表現為一個對稱的電流脈沖波形, 其波形在上升時間和持續時間上均與回擊過程有明顯差別.Rakov 等[5]報道在電場資料上, M 分量表現為電場波形的鉤狀特征, 并隨距離的增加, M 分量電場隨距離的衰減不明顯, 而回擊電場明顯衰減.Qie 等[6]報道了人工觸發閃電中63 次M 分量的電流幅值、持續時間、轉移電荷量的幾何平均值分別為276 A, 1.21 ms, 101 mC.肖桐等[7]報道了人工觸發閃電M 分量電磁場和電流在峰值幅度上具有顯著的相關性, 幾何形狀也較一致.呂偉濤等[8]和孔祥貞等[9]通過分析高速攝像資料對M 分量的通道亮度特征也進行了報道.近年來, 隨著觀測手段的提升和研究的深入, 研究人員也發現了千安量級的大幅值M 分量.其強度和較弱的回擊相當, 部分M 分量的幅值超過5 kA,上升時間低于2 μs, 波形接近較小的繼后回擊.蔣如斌等[10]報道了6 次幅值達到幾千安量級的人工觸發閃電M 分量, 給出了波形統計特征(幅值為3.8—7.0 kA, 上升時間為12—72 μs).且通過物理模型的反演計算, 認為該類M 分量和通常的M 分量有不同的物理機制, 其產生與閃電通道的狀態有一定關系.由上可以看出, 目前對M 分量的相關研究主要是對其宏觀放電和發光特征的研究,對其通道內部微觀發光信息和物理特性等的研究還很缺乏, 并且現有對M 分量光譜特征的觀測研究也非常少.

本文利用無狹縫高速攝譜儀記錄的一次閃電首次回擊后3 個M 分量的光譜資料, 分析其光譜特征.計算M 分量放電中間核心通道和周圍電暈層通道的溫度和電子密度.研究這兩個物理參量隨通道高度的變化特性, 并與相應回擊的光譜特征與放電通道的參數進行對比分析.為深入揭示閃電M 分量微觀物理過程和發生機制提供一定參考和依據.

2 理論方法

2.1 基本假設

閃電放電電流通常在幾微秒內達到幾十千安[6],可瞬間將閃電通道加熱至氣體分子被高度電離, 使整個放電通道成為一個等離子體通道[11].對閃電等離子體光譜的分析需要基于兩個基本假設:

1) 通道是光學薄的.Uman 和Orville[12]已分析得出, 閃電光譜中的NII, OII, NI, OI 和Hα譜線滿足光學薄條件.

2) 通道滿足局部熱力學平衡條件.Uman[13]指出閃電回擊通道達到熱平衡的時間為0.01 μs 量級, 故閃電通道滿足局部熱力學平衡.

2.2 通道溫度

基于以上基本假設, 選取同一元素同一電離度的多條譜線, 如閃電光譜中的主要發射譜線NI, OI,NII 和OII 譜線等, 可通過下式來計算通道溫度[11]:

式中,c為常數;I表示譜線強度;λ表示譜線波長;g,A,E和k分別表示統計權重、躍遷概率、上激發能和玻爾茲曼常數.

2.3 電子密度

電子密度是反映等離子體的重要特性參數.譜線的Stark 加寬是研究閃電放電通道電子密度的有效方法, 譜線Stark 加寬的半經驗公式為[14]

式中, Δλ1/2為譜線的半高全寬,Ne為電子密度,ω為加寬參數.

3 資料分析

分析資料來源于無狹縫高速攝譜儀在中國青海記錄到的一次負地閃首次回擊后伴隨的長連續電流過程上疊加的3 個M 分量[15,16].攝譜儀的拍攝速率為6500 幀/秒 (fps), 分辨率為1280 × 400.由光聲差可推測出該閃電的觀測距離約為1.5 km.圖1 給出了整個過程的原始發光圖片.為了方便,將回擊R 發生的時間定義為0 ms.回擊R 前的先導只記錄了兩張圖片, 發生時刻分別為–2.618 ms和–2.464 ms.根據回擊通道的分支方向可判斷回擊前的先導為下行先導.由圖1 可以看出, 在–2.464 ms時, 先導通道明顯短于在–2.618 ms 時的先導通道,且發光也較弱.另外, 先導與回擊R 之間的時間間隔大于2 ms.這均不同于一般的負地閃.

圖1 中回擊R 之后, 原通道分支消失, 伴隨有一個持續時間大約為2.464 ms 的長連續電流過程,并在連續電流過程上疊加有3 個M 分量, 分別用M1, M2, M3 表示.對應時刻分別為0.154, 0.770和1.386 ms.M1 與M2, M2 與M3 之間的時間間隔均為0.616 ms.M1 和M2 對應的通道亮度明顯大于回擊R 的通道亮度.M1, M2 通道頂端的徑向發光范圍和發光亮度明顯大于通道底端的徑向發光范圍和發光亮度.

為進一步比較分析M 分量和回擊的發光特性,圖2 給出了回擊R 與M1, M2, M3 的原始光譜,波長范圍為400—1000 nm.圖2 中每一張圖片的右側和左側分別對應零級光譜和一級光譜.零級光譜即反映閃電放電的原始通道.將R, M1, M2,M3 的一級原始光譜圖片轉化為對應通道某一高度位置處的譜線圖, 如圖3 所示.

由圖2 和圖3 可以看出, M1, M2, M3 與回擊R 的光譜結構大體相似, 譜線組成基本相同.在可見范圍內, 光譜線主要為激發能較高的一次電離的NII 離子線(20—30 eV).在紅外波段, 光譜線則主要為激發能較低的中性NI 和OI 原子線(10—14 eV).比較回擊R 和3 個M 分量的各譜線強度,可以發現, M1, M2, M3 在可見波段的離子線強度明顯小于回擊R 在可見波段的離子線強度.并在M1, M2, M3 的整個發射光譜中, 可見波段的離子線強度明顯小于其紅外波段的原子線強度.由此可得, 對于M 分量放電過程, 其通道發光主要來自紅外波段的光輻射.該結論對閃電的光學監測等工作具有重要的指導意義.例如, 利用光學觀測研究閃電M 分量的放電過程時, 所選觀測儀器設備的感光范圍是非常重要的考慮因素.

圖1 回擊和M 分量的原始發光通道Fig.1.Original channels of lightning return stroke and M-components.

圖2 回擊R 和M1, M2, M3 的原始光譜Fig.2.Original spectrum of R, M1, M2 and M3.

圖3 回擊R 和M1, M2, M3 對應通道某一高度處的譜線圖Fig.3.Spectrum of R, M1, M2 and M3 at a given height of the channels.

由于閃電放電通道由兩部分組成[17?20], 中間是直徑為厘米量級的電流核心通道, 周圍是直徑為米量級的電暈層通道.具有較高激發能的NII輻射主要來自中間的電流核心通道, 具有較低激發能的NI 和OI 輻射主要來自周圍的電暈層通道[12,18?25].因此, 結合等離子體理論, 利用NII 線計算可得到反映閃電內部電流核心通道的物理特性參數, 利用NI 或OI 線計算可得到反映周圍電暈層通道的物理特性參數.本文根據NII 463.0,500.5, 568.0 和594.2 nm 譜線的強度和躍遷參數,利用(1)式計算得到了M 分量和回擊兩種放電過程電流核心通道的溫度; 根據OI 715.7, 777.4,794.7 和844.6 nm 譜線的強度和相應的躍遷參數,利用(1)式計算得到了M 分量和回擊放電過程周圍電暈層通道的溫度.另外, 根據譜線輪廓選取了NII 444.7 nm 和OI 777.4 nm 兩條譜線, 由它們的加寬利用(2)式分別計算得到了兩種放電過程內部核心通道和周圍電暈層通道的電子密度.這里計算用到的譜線OI 777.4 nm 是實現星載閃電探測和定位系統的首選譜線[26].

在同一放電通道的不同位置, 其各物理參數會有所不同.為分析M 分量放電通道的溫度和電子密度隨通道高度的變化規律, 在R, M1, M2, M3的通道底端到頂端均勻選取了30 個位置, 部分位置標記在圖2(a)中.

圖4 給出了R 與M1, M2, M3 核心通道溫度Tcore沿通道高度的變化.可以發現: 回擊R 內部核心通道的溫度隨通道高度的增加呈增加的趨勢, M1,M2, M3 內部核心通道的溫度隨通道高度的增加明顯呈減小的趨勢.對于一般下行負地閃, 其回擊放電核心通道中由NII 線計算得到的溫度隨通道高度的增加呈減小的趨勢[27].由于下行負地閃回擊放電時, 縱向電流在核心通道內由通道底端向上傳輸, 加上電流的積累效應, 所以核心通道底端的溫度大于頂端的溫度.本工作中由NII 離子線計算的回擊R 核心通道的溫度隨通道高度的增加而增加,與一般的負地閃回擊核心通道溫度的變化規律相反.這可能與回擊R 前先導的傳輸特性相關.由圖1 明顯看出, 相比在–2.618 ms 時的先導圖片,在–2.464 ms 時, 先導只在通道上部進行了傳輸,未向下傳輸, 這意味著此時先導只加熱了通道上部.這可能是導致后續回擊R 核心通道溫度在頂端較高的一個重要原因.此外, 3 個M 分量核心通道的溫度隨通道高度的增加而減小, 與一般通常的負地閃回擊核心通道溫度的變化規律相同.并且這3 個M 分量核心通道內溫度沿通道的變化與Wang 等[16]報道的此3 個M 分量的離子線總強度沿通道的變化規律一致.

圖4 R, M1, M2, M3 核心通道的溫度沿通道的變化Fig.4.Variations of the temperatures along the core channel for R, M1, M2 and M3.

圖5 給出了R, M1, M2, M3 核心通道內電子密度ne,core隨通道高度的變化.可以看出: 回擊R 與M1, M2, M3 核心通道的電子密度均沿通道基本保持不變.這與一般沒有伴隨連續電流過程下行負地閃的研究結果有所不同.對于一般沒有伴隨連續電流過程的下行負地閃回擊, 核心通道的電子密度隨通道高度的增加而減小[28].此閃電回擊R 后伴隨有長連續電流過程, 并且M 分量是沿著回擊已形成的通道傳輸, 所以M1, M2, M3 和回擊R 的電子密度沿通道的傳輸特性基本相似.另外, 回擊R 核心通道內的電子密度沿通道保持不變, 可能也與回擊前先導的傳輸特性相關.

圖4 中R, M1, M2, M3 核心通道溫度的平均值分別 為36040, 43940, 42560 和43350 K.圖5中R, M1, M2, M3 核心通道電子密度的平均值分別為3.51 × 1018, 6.56 × 1018, 5.52 × 1018和5.49 ×1018cm–3.Orville[21]報道閃電回擊通道的峰值溫度最高可達到36000 K, 電子密度約為1018cm–3的數量級, 與圖4 和圖5 中利用NII 離子線計算得到的回擊R 核心通道的溫度和電子密度結果比較接近.M1, M2, M3 核心通道的溫度和電子密度的平均值均高于相應回擊R 核心通道的溫度和電子密度的平均值.這是因為溫度與電流的時間積分有關, 即溫度不僅與電流大小有關, 還與電流作用時間有關.在回擊R 過后的連續電流階段, 由于電流的持續加熱作用, M 分量過程的溫度整體比回擊時刻的溫度高.并且由于通道持續向地面轉移電荷, M 分量放電通道的電子密度也會較高.

圖6 給出了R, M1, M2, M3 外圍電暈層通道溫度Tcorona沿通道的變化.可以看出: 回擊R 和M1,M2, M3 外圍電暈層通道的溫度都隨通道高度的增加而增大.依據閃電電暈層通道的動力學原理[18?20],電暈層通道是由沉積在核心通道中的電荷產生超過擊穿電場閾值的徑向電場, 使得電荷沿徑向運動, 向外擴展形成的.由于此閃電存在長連續電流,云中儲存有大量電荷, 這些云中儲存的電荷不斷從核心通道向下運動, 并向外移動形成電暈層通道,同時形成電暈電流, 加上電流的累積效應, 導致R,M1, M2, M3 電暈層通道的溫度在頂端較大.這與圖6 所得的結果一致.另外, 這3 個M 分量外圍電暈層通道溫度沿通道的變化與它們光譜總強度沿通道的變化規律一致[16].

圖5 R, M1, M2, M3 核心電流通道的電子密度隨通道的變化Fig.5.Variations of the electron densities along the core channel for R, M1, M2 and M3.

圖6 R, M1, M2, M3 電暈層通道的溫度隨通道高度的變化Fig.6.Variations of the temperatures along the outer corona channel for R, M1, M2 and M3.

圖7 R, M1, M2, M3 電暈層通道的電子密度隨通道高度的變化Fig.7.Variations of the electron densities along the outer corona channel for R, M1, M2 and M3.

圖7 給出了R, M1, M2, M3 外圍電暈層通道的電子密度ne,corona沿通道的變化.可以看出: 回擊R 和M3 電暈層通道的電子密度隨通道高度的增加沒有明顯變化.M1 和M2 電暈層通道的電子密度隨通道高度的增加而增大.這與它們電暈通道內電流的大小相關.由圖1 和圖2 也可以看出, M1和M2 通道頂端的發光明顯強于回擊R 和M3 通道頂端的發光.

圖6 中R, M1, M2, M3 外圍電暈層通道溫度的平均值分別為19410, 20050, 18380 和17210 K.圖7 中R, M1, M2, M3 外圍電暈層通道電子密度的平均值分別為4.14 × 1017, 4.97 × 1017, 4.71 ×1017和3.94×1017cm–3.明顯低于圖4 與圖5 中相應核心通道的溫度和電子密度.R, M1, M2, M3 外圍電暈層通道的溫度比各自內部核心通道的溫度分別低16630, 23890, 24180 和26140 K.電子密度在外圍電暈層通道比在核心通道低了一個數量級.

Orville 和Henderson[29]依據中性原子線OI 777.4/794.7 nm 和OI 844.7/794.7 nm, 利用二譜線法計算得到溫度約13000—17000 K.Weidman等[30]根據NI 868.0/1011.3 nm 推算得到人工觸發閃電的通道溫度為16000 K 左右.以上與圖6 中利用OI 的多譜線法得到的R, M1, M2, M3 電暈層通道溫度的平均值17210—20050 K 比較接近.由于早期的報道結果都是利用二譜線法, 比較而言, 利用多譜線法的計算結果應當更加可靠[31].

Mu 等[14]研究了沒有伴隨連續電流和M 分量過程的一般負地閃回擊, 發現其周圍電暈層通道的溫度比內部核心通道的溫度低4000—5000 K.而此閃電回擊R, 由于其先導的特殊性, 導致核心通道內的溫度較高, 比周圍電暈層通道的溫度高16630 K.由于電流的持續作用, M1, M2, M3 的核心通道溫度與周圍電暈層通道溫度的差值相比回擊更高, 分別為23890, 24180 和26140 K.核心通道的能量沿徑向的傳輸是外圍通道發光的主要原因, 所以通道溫度沿徑向應逐漸降低.早期關于閃電光譜的工作由于無法同時記錄到可見和紅外波段的光譜, 關于通道溫度沿徑向分布的報道非常少, 這方面還需要進一步深入的探究.

4 結 論

依據無狹縫光柵攝譜儀記錄的一次閃電首次回擊后3 個M 分量的光譜資料, 計算的M 分量核心通道的溫度平均值為42560—43940 K, 電子密度平均值為5.49—6.56 × 1018cm–3.電暈層通道的溫度平均值為17210—20050 K, 電子密度平均值為3.94—4.97 × 1017cm–3.計算的相應回擊核心通道的溫度平均值為36040 K, 電子密度平均值為3.51 × 1018cm–3.電暈層通道的溫度平均值為19410 K, 電子密度平均值為4.14 × 1017cm–3.回擊核心通道的溫度和電子密度低于M 分量核心通道的溫度和電子密度.并且回擊R 核心通道的溫度隨通道高度的增加而增大, 而3 個M 分量核心通道的溫度隨通道高度的增加而減小.回擊R 和3 個M 分量核心通道的電子密度沿通道均基本保持不變.在外圍電暈層通道, 回擊R 和3 個M 分量的溫度都隨通道高度的增加而增大.而電子密度, M1 和M2 隨通道高度的增加而增大, 回擊R 和M3 隨通道高度的增加沒有明顯的變化.