地闪是雷暴云对地面的放电, 常常会对地面的物体以及人、 牲畜造成严重的伤害, 由于自然闪电发生、 发展的随机性和瞬时性, 难以对其进行近距离的综合观测, 人工触发闪电技术实现了近距离的综合观测。 人工触发闪电中的空中触发方式, 即火箭拖带的细金属导线不接地, 包括上行正先导, 上行正先导和下行负先导同时发展的双向先导, 连接过程, 小回击等过程, 其中下行先导的发展、 传输以及接地过程, 在一定程度上能够模拟自然闪电的下行先导-回击过程, 对于雷电始发机制, 先导传输特征等研究具有重要的意义, 而双向先导过程, 对于飞行器雷电防护的设计也有重要的应用价值^{[1, 2, 3]}。

闪电通道的峰值电流高达几千安培, 大电流能瞬间将闪电通道热到数万度, 使得大气中的各种分子原子被瞬间分解电离。 闪电通道中各种粒子之间的相互作用过程中会向外发出不同波段的光辐射, 波长范围覆盖X射线、 紫外、 可见光、 红外等区域, 这些辐射谱线直接携带了闪电通道中的各种信息, 如通道温度、 电子密度、 粒子成份和浓度等多种状态参数, 而经过计算处理后还能反演出闪电通道中各种物理过程的特征。 例如Orville^[4]根据闪电近紫外光谱的吸收特性, 估测了观测点与闪电之间存在的臭氧含量; Wang^[5]等基于回击通道光谱与电场资料估算了闪电放电通道的半径和通道单位长度储存的能量并对其作了相关性分析。 因此, 闪电光谱的观测对闪电过程物理机制的研究有重要意义。

本文利用无狭缝光谱仪获得的广东地区一次空中触发闪电过程的发射光谱, 对空中触发闪电小回击过程、 上行正先导通道的光谱进行了对比分析。

光谱观测采用无狭缝光栅摄谱仪, 光谱观测点距离引雷点约1.9 km, 记录系统是PhotronSA5高速照相机, 时间分辨率为6 000 fps, 拍摄时长为1.82 s, 空间分辨率为1 024× 512, 分光装置是600 lines· mm^-1的光栅, 光栅置于摄像机物镜前, 光谱分辨率为1.1 nm。 同时利用MotionPro HS-4高速黑白相机进行闪电观测, 空间分辨率为512× 512, 时间分辨率为0.2 ms, 拍摄时长为1.6 s。 于2017年6月15日成功获得了一次负极性空中触发闪电小回击、 上行正先导通道等的发射光谱。

由于光谱仪只拍摄到部分闪电通道, 为了更直观的分析闪电通道的光谱变化图1给出了利用MotionPro HS-4高速黑白相机拍摄的空中触发闪电的双向先导的产生及发展过程, 图2给出了光谱仪获得的通道原始光谱, 将上行正先导接地时刻定义为0 ms。 图1中-0.6 ms火箭拖带细金属导线升空, 细金属导线主要成份为铁。 当金属导线被拉出大约412 m时导线下部断裂, 金属导线在空中形成孤立导体, 在其两端激发产生一个双向传输的先导, 其中下端距离地面大约204 m, 在金属导线顶端激发向上的正先导, 并向云中传播, 导线的下端产生向下的负极性先导向地面传播, 如图1中-0.4 ms, 图2中的-0.334 ms(部分通道未进入图中), 此阶段未观测到光谱, 主要原因有两方面, 首先是先导通道的光辐射比较弱, 其次光谱仪距离引雷点较远, 光谱经摄谱仪分光后强度又会降低很多。

图1

Fig.1

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	图1 空中触发闪电双向先导的产生及发展过程Fig.1 Generation and development of the bidirectional leader process of altitude triggered lightning

当负先导接近地面时, 地面将激发向上的连接正先导, 正负先导连接后形成一小回击过程如图2中的-0.167 ms, 随着小回击的产生, 金属导线开始气化, 产生较强的金属谱线, 如图2中的0 ms中部以及0.167 ms, 此导线段通道光谱持续了约140 ms, 而空气段通道仅仅持续了1张图, 即0.167 ms。 上行先导则继续向上发展, 此次空中触发闪电仅有初始阶段, 没有回击。 实验中共获得了小回击以及上行正先导阶段两幅可分辨的光谱, 金属段由于亮度强, 分辨率较低无法标定。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 氮、 氧、 铁的电离能[6] Table 1 Ionization energies of nitrogen, oxygen and iron 电离能/eV N O Fe Ⅰ 14.53 13.62 7.902 Ⅱ 29.60 35.12 16.20 Ⅲ 47.44 54.94 30.65

表1 氮、 氧、 铁的电离能[6] Table 1 Ionization energies of nitrogen, oxygen and iron

闪电通道的峰值电流高达几千安培, 可将闪电通道中分子原子瞬间分解电离, 由于大气以氮气、 氧气为主, 因此, 通道等离子体中以NⅠ , NⅡ , OⅠ , OⅡ 粒子为主, 目前NⅢ , OⅢ 离子谱线的报道比较少^{[7, 8, 9]}, 其中一些谱线的上激发能高于30 eV, 例如NⅡ 517.9 nm上激发能为30.12 eV; OⅡ 425.3 nm上激发能为34.23 eV; OⅡ 419.0 nm上激发能为31.32 eV。 表1给出了氮、 氧、 铁元素的电离能, 可以看到FeⅠ , FeⅡ , FeⅢ 的电离能都远低于同级的氮、 氧的电离能, FeⅢ 的电离能也低于闪电通道中一些激发能高的谱线。 实际上N₂和O₂离解为N和O还需要一定的离解能。 其次, 导线通道气化后的粒子数密度也大于空气段。 因此, 在电流强度相同的情况下, 人工触发闪电通道的导线段有更多的粒子被激发, 能产生更多的光谱辐射, 即图2中0 ms闪电照片上导线段通道的亮度远强于空气段, 导线段通道的光谱强度也远强于空气段。 同理在随后的等离子体通道消散阶段导线段闪电通道的复合反应持续时间也更长。

图2

Fig.2

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	图2 空中触发闪电产生及发展过程的原始光谱Fig.2 Spectra of bidirectional leader process of altitude triggered lightning

图3

Fig.3

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	图3 空中触发闪电小回击(a)、 上行正先导导线段上部(b)、 下部空气段光谱(c)Fig.3 Spectra of mini-return stroke (a) and the upper (b) and lower (c) air portion of upward positive leader channel

图3给出了小回击以及其后的上行正先导导线段上部及下部空气段某一高度的光谱图, 图中横坐标为波长, 纵坐标为谱线的相对强度, 其中, 小回击与上行正先导下部为同一高度。 表2^{[10, 11]}给出了主要光谱的跃迁参数, 小回击通道光谱主要由NⅡ 离子低激发态之间的跃迁组成, 同袁萍等给出的广东地区自然闪电光谱相比, 可以发现小回击不包含波长为NⅡ 407.5 nm, NⅡ 436.9 nm以及NⅡ 419.0 nm等广东地区的强闪电特征谱线^{[10, 11]}, 具有NⅡ 444.7 nm, NⅡ 517.9 nm, NⅡ 616.8 nm等广东地区一般闪电的特征谱线, 以及NⅡ 500.5 nm, NⅡ 568.0 nm等闪电的基本谱线。 因此, 可以得出小回击同广东地区一般自然闪电有着相似的光谱结构。

同小回击阶段相比上行正先导阶段导线段上部、 下部空气段的连续背景辐射增强见图3(a), (b)和(c), 短波段的线状谱线OⅡ 425.3 nm, NⅡ 444.7 nm, NⅡ 463.0 nm, NⅡ 480.3 nm等强度减弱, 即将湮没在背景辐射中。 下部空气段激发能较高的谱线强度例如NⅡ 517.9 nm(30.14 eV), NⅡ 616.8 nm (25.15 eV), NⅡ 425.3 nm(34.23 eV)等有较大幅度的减弱, 开始出现了H_α , H_β , OⅠ 615.8 nm等激发能较低的谱线。 以上现象表明随着通道能量的减小, 谱线强度逐渐减小, 具有高激发能的谱线开始消失, 低激发能的谱线开始出现, 具有回击后期的光谱结构。

上行正先导导线通道上部空气段分辨出的谱线较少, 出现的谱线上激发能都比较低, 同其他两个通道相比出现了NⅠ 600.8 nm。 目前关于闪电先导光谱的资料较少^{[12, 13]}, 闪电正先导通道的光谱基本未见报道。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 人工触发闪电通道光谱参数 Table 2 Spectral parameters of artificial triggered lightning channel 谱线 /nm 小回击 (强度) 上行正先导(强度) 跃迁 giAk 激发能/eV 下部 上部 425.3 44.12 - - OⅡ 2p2(1D) 4f2H11/2-2p2(1D) 3d2G9/2 - 34.233 444.7 58.81 57.9 - NⅡ 2s22p3p-2s22p3d 5.60× 108 23.196 37 463.0 93.78 77.80 - NⅡ 2s22p3s-2s22p3p 3.70× 108 21.159 914 480.3 58.04 - - NⅡ 2s22p3p-2s22p3d 2.22× 108 23.246 032 500.5 182.98 191.18 - NⅡ 2s22p3p-2s22p3d 1.03× 109 23.141 958 517.9 196.68 126.09 - NⅡ 2s2p2(4P)3p-2s2p2(4P)3d 1.18× 109 30.138 938 533.0 69.07 147.01 80.95 OⅠ 2p3(4S° ) 5d 5D° 4-2p3(4S° ) 3p5P3 0.244× 108 13.066 568.0 185.99 177.03 - NⅡ 2s22p3s-2s22p3p 3.47× 108 20.665 516 594.2 143.79 96.74 - NⅡ 2s22p3p-2s22p3d 3.83× 108 23.246 032 616.8 31.953 - - NⅡ 2s22p3d-2s22p4p 1.86× 108 25.151 602 615.8 - 89.61 45.10 OⅠ 2p3(4S° ) 4d 5D° 4-2p3(4S° ) 3p 5P3 0.686× 108 12.754 648.2 26.66 66.052 32.19 NⅡ 2s22p3s-2s22p3p 7.74× 107 20.409 132 656.3 18.04 64.95 31.17 Hα 3d2D5/2-2p2P° 3/2 - 12.088 600.8 - - 50.02 NⅠ 2p2(3P)3p2S° 1/2-2p2(3P)4d2P3/2 7.160× 10-2 13.665 486.1 - 120.70 - Hβ 2 2P° -4 2D - 12.748

表2 人工触发闪电通道光谱参数 Table 2 Spectral parameters of artificial triggered lightning channel

图4

Fig.4

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	图4 小回击及上行正先导上部通道温度Fig.4 Temperature of mini-return stroke (a) and (b) the upper air portion of upward positive leader channel

温度是闪电通道的基本参数, 闪电通道的电离率、 离子浓度、 谱线辐射强度等都与温度有密切的关系。 目前, 闪电通道温度的计算方法主要有多谱线法^{[14, 15]}, 图4(a)和(b)给出了依据多谱线法由NⅡ 444.7 nm, NⅡ 463.0 nm, NⅡ 648.2 nm等氮离子谱线获得的通道温度, 小回击通道以及上行正先导通道下部空气段温度分别为21 000和20 000 K, 上行正先导通道下部空气段由于谱线较少没有获得通道温度。 有研究^[8]给出的广东地区自然闪电通道温度为29 000~34 000 K, 可以发现小回击通道温度低于自然闪电温度。

通过对广东地区一次空中触发闪电过程的小回击和上行正先导通道的发射光谱的分析, 得到以下结论:

(1) 在电流强度相同的情况下, 人工触发闪电通道的导线段有更多的粒子被激发, 能产生更多的光谱辐射, 导线段通道的亮度远强于空气段, 导线段通道的光谱强度也远强于空气段。 在随后的等离子体通道消散阶段导线段闪电通道的复合反应持续时间也更长。

(2) 空中触发闪电小回击通道具有NⅡ 444.7 nm, NⅡ 517.9 nm, NⅡ 616.8 nm等广东地区一般闪电的特征谱线, 同广东地区一般自然闪电有着相似的光谱结构, 通道温度略低于自然闪电; 上行正先导导线通道下部具有回击后期的光谱结构。