云地閃電回?fù)敉ǖ啦煌A段的輸運(yùn)特性

董彩霞

（青海高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院，青海樂都，810799）

0 前言

根據(jù)閃電光譜的研究結(jié)果顯示，閃電放電通道可以當(dāng)作是一種典型的等離子體通道，而內(nèi)部的電子密度和溫度直觀地反映了閃電放電過程的物理特性，其他表示通道特征的物理參數(shù)均可以用其有關(guān)溫度和電子密度的函數(shù)來描述。由回?fù)敉ǖ赖碾娮用芏群蜏囟瓤梢源_定通道內(nèi)的電導(dǎo)率，熱導(dǎo)率，熱擴(kuò)散系數(shù)，相對質(zhì)量密度，同種粒子濃度(如NI 濃度、NII 濃度等)[1]等反映通道物理特征的基本參數(shù)。電導(dǎo)率是反映等離子體通道內(nèi)電子和各種離子的轉(zhuǎn)移特性，也是反映閃電放電通道導(dǎo)電特性和輸運(yùn)特性的基本參數(shù)。熱導(dǎo)率描述由于溫度的逐漸變化，不同化學(xué)元素之間的化學(xué)反映的產(chǎn)生而存在的能量傳遞和轉(zhuǎn)換；熱擴(kuò)散系數(shù)與等離子體中因?yàn)闇囟鹊淖兓鴮?dǎo)致的大量粒子的轉(zhuǎn)移密切相關(guān)，同時(shí)與粒子之間的碰撞積分相關(guān)。

從目前的研究結(jié)果來看，利用有關(guān)光譜譜線信息研究云對地閃電通道熱導(dǎo)率及熱擴(kuò)散系數(shù)的工作不是很多，此項(xiàng)工作依據(jù)無狹縫光柵攝譜儀在高原地區(qū)得到的閃電多個(gè)回?fù)暨^程的光譜，結(jié)合空氣等離子體通道的傳輸理論，在LTE 模型下估算了閃電通道不同回?fù)舨煌瑫r(shí)刻的基本參數(shù)，進(jìn)而得到并利用圖表的形式分析這些特性參數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律和特征。

1 理論分析過程

1.1 等離子體通道溫度

在LTE 模型下，依據(jù)閃電回?fù)艄庾V，利用多譜線法計(jì)算通道溫度[5]。

上述表達(dá)式中，λ 表示譜線的波長，c 是一個(gè)常數(shù)，I表示閃電光譜線的相對強(qiáng)度，E 為譜線躍遷的上激發(fā)能，k表示玻爾茲曼常數(shù)，為已知量，A 為譜線躍遷幾率，g 表示統(tǒng)計(jì)權(quán)重。選擇氧原子的多條譜線，并且用的值作為縱坐標(biāo)， E 的數(shù)值作為橫坐標(biāo)作出曲線圖，并進(jìn)行線性擬合，擬合后的曲線斜率就是-1/kT，解方程即可得到通道溫度T。

1.2 利用Stark 加寬計(jì)算電子密度

利用Stark 展寬計(jì)算電子密度有如下假設(shè)：與Stark 加寬相比，自然加寬，共振加寬，儀器加寬，Doppler 加寬等對譜線的影響很小，Stark 效應(yīng)在展寬機(jī)制中起主要作用。由于離子微擾場引起的加寬非常小，準(zhǔn)靜態(tài)的粒子展寬貢獻(xiàn)約小于4%，可以忽略。則電子密度表達(dá)式可簡化為：

其中，ω表示電子碰撞展寬系數(shù)，根據(jù)光譜線的半高全寬參數(shù)及相應(yīng)的加寬參數(shù)，利用上式就可以得到等離子體內(nèi)的電子密度。

1.3 通道內(nèi)的輸運(yùn)系數(shù)

等離子體放電通道內(nèi)的物理輸運(yùn)特性主要由D(擴(kuò)散系數(shù))，λ（熱導(dǎo)率）和σ（電導(dǎo)率）的數(shù)值來描述。而這些輸運(yùn)系數(shù)的精確值很大程度上依賴于局部等離子體狀態(tài)的物理特性，即取決于不同化學(xué)組成成分在給定位置和給定條件下的速度、數(shù)密度和質(zhì)量等因素。同時(shí)這些輸運(yùn)系數(shù)與等離子體通道內(nèi)含有的各粒子的濃度、壓強(qiáng)、溫度以及電子密度等參數(shù)密切相關(guān)，同時(shí)也強(qiáng)烈依賴于粒子間的碰撞積分。利用一次、二次粒子之間的碰撞積分理論，并結(jié)合空氣等離子體的傳輸理論，可以得到閃電放電通道內(nèi)部的輸運(yùn)系數(shù)（λe，DeT）：

a.電子的熱導(dǎo)率[7]

b.電子的熱擴(kuò)散系數(shù)[7]

其中，上面表達(dá)式中的qmp元主要依賴于等離子體通道內(nèi)的粒子數(shù)密度，電子密度和粒子間的碰撞積分。

2 計(jì)算結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)光柵攝譜儀拍攝的閃電回?fù)暨^程的光譜圖像，選取譜線比較清晰的光譜圖片進(jìn)行研究分析，原始的光譜是對云地閃電全通道分光的圖片，沿著閃電通道分布方向，選取譜線分辨率較好的位置，并將其轉(zhuǎn)化為用譜線的相對強(qiáng)度表示的光譜，如圖所示。圖1 表示同一次云對地閃電不同回?fù)敉ǖ蓝鄠€(gè)時(shí)刻的一次完整的放電過程的光譜，以閃電發(fā)生時(shí)間和回?fù)繇樞蛎麨?6:20:49，R0 是首次回?fù)簦琑1-R3 表示對應(yīng)的繼后回?fù)簦灿兴膫€(gè)回?fù)暨^程。

圖1 譜線相對強(qiáng)度表示閃電16:20:49 各回?fù)敉ǖ赖墓庾V

依據(jù)閃電光譜信息，利用(1)式和氧中性原子OI 的四條譜線：777.4，794.7，844.6 和926.3，計(jì)算出這次云對地閃電放電通道各個(gè)回?fù)舨煌瑫r(shí)刻的平均溫度，由OI777.4 的Stark 加寬方法計(jì)算出通道內(nèi)對應(yīng)的電子密度。最后利用上述理論方法中的(3)，(4)式得到16:20:49 閃電通道各個(gè)回?fù)舨煌A段的熱導(dǎo)率，熱擴(kuò)散系數(shù)，其計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 閃電（16:20:49）各回?fù)舨煌A段的特性參數(shù)

從計(jì)算結(jié)果可以得出，首次回?fù)? 時(shí)刻的平均溫度最高，電子密度及輸運(yùn)系數(shù)也較大，其次是R1，R2，R3，隨著時(shí)間的變化，通道內(nèi)的電子密度和溫度隨時(shí)間逐漸減小；同時(shí)，根據(jù)等離子體的理論方法得到閃電通道內(nèi)的電子的熱導(dǎo)率的數(shù)值在3.17 Wm-1K-1至5.46 Wm-1K-1的范圍內(nèi)，熱擴(kuò)散系數(shù)的數(shù)值在0.72×10-7kgm-1s-1至1.15×10-7kgm-1s-1的范圍內(nèi)，而且隨著時(shí)間的推移，輸運(yùn)系數(shù)均表現(xiàn)出出減小的趨勢。

3 結(jié)論

圖2 輸運(yùn)系數(shù)隨時(shí)間的變化

以高原地區(qū)云對地閃電回?fù)暨^程的閃電光譜為例，依據(jù)閃電光譜譜線的相對強(qiáng)度等相關(guān)信息，分析了一次完整的云對地閃電的放電過程。根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出，同一云地閃的不同回?fù)羲鶎?yīng)的光譜，譜線輪廓和相對強(qiáng)度的差異比較明顯。利用氧中性原子的多條譜線，由多譜線法計(jì)算出通道溫度；用譜線的Stark 加寬獲得電子密度，進(jìn)而利用粒子間的碰撞積分得到同一閃電不同時(shí)刻的放電通道的輸運(yùn)特性參數(shù)值都在合理范圍內(nèi)。結(jié)果顯示：對于不同的回?fù)暨^程，通道溫度較高的，對應(yīng)的輸運(yùn)系數(shù)也較高，即輸運(yùn)特性與溫度和電子密度呈現(xiàn)正相關(guān)，輸運(yùn)特性參數(shù)與溫度的變化趨勢一樣，在不同時(shí)間階段均有減小的趨勢。