闪电光谱研究进展
刘国荣1, 王伟1, 朱维君1, 褚润通1, 安婷婷2, 万瑞斌2, 袁萍2,*, 孙对兄2, 马云云3
1. 兰州理工大学理学院物理系, 甘肃 兰州 730050
2. 西北师范大学物理与电子工程学院, 甘肃省原子分子物理与功能材料重点实验室, 甘肃 兰州 730070
3. 兰州城市学院电子与信息工程学院, 甘肃 兰州 730070
*通讯作者 e-mail: yuanp@nwnu.edu.cn

作者简介: 刘国荣, 1972年生, 兰州理工大学理学院物理系讲师 e-mail: liugr07@163.com

摘要

简要回顾了早期闪电光谱的研究, 分两个阶段综述了近二十年来国内外闪电光谱研究的最新进展。 在20世纪60年代和70年代初, 利用胶片相机获取的闪电光谱虽有诸多不足之处, 但仍然取得了很多非常重要的研究成果, 既为后期闪电光谱的研究奠定了坚实的基础, 也指明了发展方向。 2001年以来, 国内首先利用普通数码摄像机组装成无狭缝光栅摄谱仪开始开展闪电光谱研究。 普通数码摄像机虽然解决了胶片相机存在的问题, 但拍摄速度较慢(50帧·s-1), 只能研究闪电回击通道在该时间范围内的整体性质。 尽管如此, 这些工作又一次推动了闪电光谱研究的发展, 国际范围开始关注闪电光谱研究。 Warner等于2011年用高速摄像机组装的无狭缝光谱仪记录到了云-地闪电梯阶先导的光谱, 大幅度提高了拍摄速度(10 000帧·s-1)。 2012年以来, 国内也开始利用以高速摄像机作为记录系统集成的无狭缝光栅摄谱仪捕获闪电光谱, 用更高时间分辨率对闪电通道不同阶段的辐射光谱开展了大量研究, 并取得了多项引人瞩目的成果, 主要包括自然闪电的梯级先导、 直窜先导和回击以及球状闪电和闪电通道核心的光谱研究。 2017年, Walker报道了时间分辨率为1.5 μs左右、 波长范围分别为380~620和620~870 nm的人工触发闪电起始阶段、 直窜先导、 回击和连续电流阶段的光谱, 但因拍摄范围太小, 获取的只是闪电通道某一局部的光谱。 由此可知, 如何获取更高时空分辨率的光谱资料是闪电光谱研究领域急待解决的问题。

关键词: 闪电光谱; 高速摄谱仪; 球状闪电; 闪电通道核心
中图分类号:O536 文献标志码:R
Research Progress of Lightning Spectroscopy
LIU Guo-rong1, WANG Wei1, ZHU Wei-jun1, CHU Run-tong1, AN Ting-ting2, WAN Rui-bin2, YUAN Ping2,*, SUN Dui-xiong2, MA Yun-yun3
1. Department of Physics, School of Science, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China
2. Key Laboratory of Atomic and Molecular Physics and Functional Materials of Gansu Province, College of Physics and Electronic Engineering, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China
3. School of Electronic and Information Engineering, Lanzhou City University, Lanzhou 730070, China
*Corresponding author
Abstract

In this paper, the research work on the early lightning spectrum is briefly reviewed, and then the latest progress of lightning spectrum research in the recent 20 years is reviewed in two stages. In the 1960s and early 1970s, although the lightning spectrum obtained by film cameras had many shortcomings, many important research results were achieved, which not only laid a solid foundation for the later research work of lightning spectrum but also pointed out the direction of development. Since 2001, the slit-less grating spectrograph assembled by ordinary digital camera has been used to study the lightning spectrum in China. Although an ordinary digital cameras solve the problem of film cameras, the shooting speed is slow (50 frames per second), and the nature of the lightning return stroke channel can only be studied in this time range. Nevertheless, these works once again promoted the development of lightning spectrum research, so the international gradually began to pay attention to lightning spectrum research. In 2011, Warner et al. recorded the spectrum of the cloud-ground lightning stepped leader with a slit-less spectrometer assembled with a high-speed camera, which improved the shooting speed to a certain extent (10 000 frames per second). Since 2012, the slit-less grating spectrograph integrated with a high-speed camera as a recording system has been used in China to capture the lightning spectrum, and a lot of research work has been carried out on the radiation spectrum at different stages of the lightning channel under the condition of higher temporal resolution, and several eye-catching research results have been achieved. They mainly include the spectral study of the stepped leader, dart leader and return stroke of the natural lightning, as well as the ball lightning and the lightning channel core. In 2017, Warner reported the spectra of artificially triggered lightning initiation, dart leader, return stroke, and continuous current at a wavelength range of 380~620 and 620~870 nm with a time resolution of about 1.5 microseconds, but the range was too small to capture the spectra of only one part of the lightning channel. Therefore, how to obtain spectral data with the higher spatial and temporal resolution is an urgent problem in lightning spectrum research.

Keyword: Lightning spectrum; High speed spectrograph; Ball lightning; Lightning channel core
引言

闪电是常见的自然现象。 一次闪电放电过程包括起始击穿、 先导、 回击和连续电流等过程。 目前, 国内外研究自然闪电的方法大致可分为电磁学观测、 光学观测、 光谱观测和理论研究四大类。 电磁学观测是通过仪器设备记录闪电发生发展过程中所引起的电磁场变化波形, 分析得到闪电不同放电阶段的电磁学参数, 并通过多站点的电、 磁场观测定位闪电发生的位置。 光学观测则通过获取闪电通道的时间分辨图片, 研究闪电通道的发生发展、 分枝分叉、 总体几何形状和发光亮度等信息。 光谱观测是记录闪电通道的发射光谱, 依据光谱获取闪电通道内部不同阶段的物理信息。 理论研究主要是基于相关理论建立不同的闪电模型, 为雷电观测、 防护和预警起到了不可或缺的指导作用。

由于自然闪电发生的随机性和瞬时性, 加之其产生的大电流和强电磁辐射效应具有非常强的破坏性, 使得描述闪电放电通道内部特征的物理参数难于通过直接测量获得。 截止目前, 光谱观测能够记录到闪电通道的发射光谱, 依据光谱资料获取通道内部的物理信息, 是研究闪电放电通道内部物理特性的有效方法。 本文首先简要回顾了早期闪电光谱的研究, 然后分两个阶段对近二十年来国内外闪电光谱的研究进行阐述。 特别是近十年, 以高速摄像机作为记录系统集成的无狭缝光栅摄谱仪用于捕获闪电光谱的最新成果, 包括自然闪电的梯级先导、 直窜先导和回击以及球状闪电和闪电通道核心的光谱研究进展。

1 早期闪电光谱研究

20世纪60年代, 闪电光谱得到了广泛研究。 关于闪电光谱最早的著名出版物之一是Salanave于1961年发表在《Science》杂志上的综述文章[1]。 在20世纪60年代和70年代初, 闪电光谱研究取得了重大进展, 主要工作有: 谱线识别、 用谱线信息估算通道的温度和电子密度等。 如图1所示的是Salanave等先后利用无狭缝摄谱仪获得的闪电在紫外、 可见和近红外三个波段的光谱, 图中标定谱线波长的单位是Å 。 由图1可以看出, 闪电光谱在紫外和可见波长区域, 主要是由单电离的氮和氧的发射谱线组成, 这些谱线的激发能在20~30 eV之间。 在近红外波长区域, 主要是中性氮和氧原子的发射线, 这些发射谱线相比紫外和可见光区的离子线, 其激发能较低, 在10~16 eV之间。 另外在闪电光谱中, 还能观测到氢原子的Hα , Hβ 和Hγ 谱线。

图1 不同波段的闪电光谱
(a): 紫外波段; (b): 可见波段; (c): 近红外波段
Fig.1 The lightning spectra in the different bands
(a): Ultraviolet band; (b): Visible band; (c): Near infrared band

在之后的几十年里, 闪电光谱方面的研究非常少。 主要是因为仪器的发展更新跟不上进一步研究闪电光谱的需求。 首先, 用于记录闪电光谱的胶片相机的记录空间范围极其有限, 通常只能记录到几米长的闪电通道, 而闪电通道的长度一般可达数千米, 从而获得的光谱资料无法用于研究闪电通道的发展过程。 其次, 记录的总时长取决于胶片的长度, 一次完整的闪电过程约为几百毫秒, 而胶片相机记录的总时长通常只有几毫秒, 无法记录到闪电的整个发展过程, 满足不了闪电研究的需求。 另外, 谱线在底片上的成像质量较差, 如曝光过度(或不足)和胶片的非线性波长效应等, 定量分析的误差很大。

2 普通数码摄像机用于闪电光谱研究

直到CCD(charge coupled device)和CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor)相机的实现, 使得闪电光谱研究工作迎来又一个蓬勃发展的时期。 2001年以来, 国内利用普通数码摄像机组装成无狭缝光栅摄谱仪, 又一次开始对闪电光谱开展研究。 与胶片相机相比, 普通数码摄像机有取景范围广、 连续拍摄时间长、 图片储存量大和成像质量高等明显优势。 既可以记录到完整的闪电通道, 也可以记录到整个闪电的发展过程, 成像质量也高, 解决了胶片相机拍摄闪电光谱遇到的三个主要问题。 在青海、 西藏、 广州等地进行的闪电光谱观测实验中获得了大量闪电回击过程的时间积分光谱。 图2是由数码摄谱仪拍摄的一次闪电回击的光谱。 从图片中可以看出, 它不仅记录到了闪电通道的形状和接地位置, 同时也记录到了通道的发射光谱。 清晰可见的谱线确保准确识别不同跃迁的谱线。 他们主要分析了闪电放电过程中的光谱结构及其特征, 讨论了不同地域的闪电放电光谱结构的差异。 结合等离子体光谱理论, 定量分析了闪电回击通道的温度和电子密度随通道高度发生的变化, 计算出回击通道内的压强、 电离度、 电导率、 电子热导率和热扩散系数等物理参量, 并对回击通道内的粒子数分布特征做了研究。 然而, 仍有一个问题急需解决, 普通数码摄像机的拍摄速度仅为50帧· s-1, 只能研究闪电回击通道在该时间范围之内的整体性质, 无法研究通道发展过程中物理特性的变化。 虽然存在不理想的地方, 但这些工作又一次推动了闪电光谱工作的发展, 使得国际上又逐渐开始关注闪电光谱的研究工作。

图2 数码摄像机记录的闪电回击光谱Fig.2 The lightning return stroke spectra recorded by digital camera

3 高速摄像机用于闪电光谱研究
3.1 国外闪电光谱研究现状

Warner等于2011年用高速摄像机组装的无缝隙光谱仪记录了云-地闪电梯阶先导的光谱[2], 时间分辨率为99.6 μ s, 波长范围为600~1 050 nm, 拍摄距离为0.6 km。 如图3所示, 近红外的发射光谱主要是中性氮和中性氧, 也观测到Hα 和个别来自单电离氮的发射谱线。 在谱线a中, 661.1 nm处出现了单电离的氮线, 但在随后的b和c两张相同高度的图像中却没有出现, 作者认为这是通道冷却所致。 高速数码摄像机的不断发展, 能很好地改善获取闪电光谱时所遇到的问题, 为闪电光谱的继续研究提供了技术保障。 通过它获取高时间分辨和高成像质量的光谱, 对研究闪电各个发展过程的物理机制有着重要的作用。

图3 高速数码摄像机记录到的闪电梯阶先导的 三张连续光谱[2]Fig.3 Three continuous spectra of the lightning stepped leader recorded by a high-speed digital camera

2017年, Walker报道了时间分辨率为1.5 μ s左右、 波长范围分别为380~620和620~870 nm的人工触发闪电起始阶段、 直窜先导、 回击和连续电流阶段的光谱[3]。 资料表明: 回击初期的1.5 μ s之内, 首次在可见区捕获到双电离氮离子(N Ⅲ )和氧离子(O Ⅲ )谱线, 在极短的时间之后双电离的离子线消失; 单电离氮离子(N Ⅱ )和氧离子(O Ⅱ )谱线先增强后减弱, 存在时间大约是30微秒左右; 中性原子线(N Ⅰ 、 O Ⅰ 和Hα )存在时间大约是几百到上千微秒。 因光谱资料没有记录到闪电回击通道, 2019年Walker基于上述光谱资料和通道底部电流分析了通道的相关物理特性[4]。 分析表明, 在回击起始阶段的1 μ s内, 通道内的物理特性发生了迅速的变化, 要更详细地观测初始电离通道发射光谱的变化需要亚微秒分辨率的摄谱仪。 另外, 为了提高时间分辨率导致图片的拍摄范围太小, 获取的只是闪电通道某一局部的光谱。

3.2 国内闪电光谱研究现状

2012年以来, 国内也开始利用以高速摄像机作为记录系统集成的无狭缝光栅摄谱仪捕获闪电光谱, 取得了不少有价值的研究成果。

Cen等[5]依据高速摄谱仪在波长范围为400~1 000 nm内获得了梯级先导、 直窜先导和回击的高时间分辨光谱, 如图4和图5所示。 通过光谱分析, 获知了先导中辐射的谱线成分, 并通过光谱变化, 讨论了先导在传输过程中一些物理参量的变化。 在其光谱中主要观测到的谱线为近红外区域的氢、 氮和氧原子谱线。 梯级先导传输过程中, 其前端辐射的光谱会越来越强, 而后端辐射的光谱会逐渐减弱, 这也是梯级先导的梯级式传输的一个表现。 报道了直窜先导在近红外区域辐射出来的谱线为氮和氧原子谱线。 直窜先导传输过程中, 首先辐射出来的为氮、 氧和氢的原子谱线。 传输到近地面时, 原子谱线强度明显增加, 同时能辐射出激发能较高的氮离子谱线, 说明了它在传输过程中, 通道的温度是越来越高的[5]

图4 梯级先导和回击的光谱Fig.4 Spectra of the lightning stepped leader and return

图5 直窜先导和回击的光谱[5]Fig.5 Spectra of the lightning dart leader and return

Zhao等[6]研究了闪电回击光谱中谱线OⅠ 777.4 nm的强度与电场变化幅度的相关性。 研究结果表明, 闪电近红外辐射稳定且持续时间长, 其中OⅠ 777.4 nm是近红外波段谱线强度大、 持续时间最长的谱线之一; OⅠ 777.4 nm的强度与电场强度正相关, 而且它的变化波形与快电场变化波形一致, 所以通过探测OⅠ 777.4 nm可以反映闪电的放电特性。 OⅠ 777.4 nm的以上特性为实现一种新型的闪电定位系统提供了可能性, 把这一定位系统应用到卫星可以研究全球范围内的闪电放电活动。

Qu和Cen等[7, 8]通过光谱信息和同步快、 慢电场资料分析了闪电回击通道热力学特性与放电特性的相关性。 闪电通道热力学特性与放电特性的相关性研究是揭示闪电过程物理机制的重要途径。 将光谱与电场资料相结合, 首先分析了同一次闪电的多次回击中, 光谱结构与放电特性的关系, 结果表明: 光谱总强度与放电电流正相关。 其次分析了闪电通道中热力学特性与放电特性的关系, 结果表明: 对于不同闪电的首次回击, 通道温度正比于电流的作用积分; 对于同一闪电的各次回击, 通道温度与作用积分不呈线性关系。 由分析结果推断: 可以依据光谱总强度来比较多回击闪电中每次回击电流的大小; 根据通道温度判断不同闪电首次回击过程中能量传输的大小。 这些工作为进一步研究闪电过程中传输能量的大小以及其产生氮氧化物的数量提供一些参考数据, 也为雷电物理的研究及闪电防护提供了一些理论依据。

Wang[9, 10]等通过光谱信息和同步快、 慢电场资料分析, 发现了在地闪连续电流和回击两种放电过程中, 电场变化幅度与相应光辐射的离子线总强度线性相关, 光谱总强度与相应通道可视直径线性相关。 这表明地闪光谱辐射中的离子谱线和中性原子谱线来自于通道径向的不同位置。 在可见波长范围内具有较高激发能的离子线主要来自于电流核心通道, 在近红外波长范围内具有较低激发能的中性原子线主要来自于核心通道周围的电晕通道。

Liu等[11]首次应用萨哈-玻尔兹曼图法估测了回击通道的温度。 由于该方法可以同时使用同一元素不同电离阶段的谱线, 这样不仅增加了所用谱线之间的上激发能级之差, 而且增加了可用谱线的数量。 由于离子谱线主要来自通道核心的贡献, 原子谱线主要来自外围通道。 因此, 同时选用离子谱线和原子谱线, 用萨哈-玻耳兹曼图法得到的温度是在曝光时间内电晕通道以内(包括电晕鞘)的平均温度。 只选用N Ⅱ 或N Ⅰ 谱线, 用玻耳兹曼图法得到的温度应该分别是通道核心和电晕鞘的温度。

3.3 球状闪电和闪电通道核心的光谱研究

2012年夏季在青海高原地区进行野外雷电光谱观测实验中首次用两台摄谱仪同时记录到了一次自然球状闪电的全过程及其发射光谱, 如图6所示。 实验场所(37.013° N, 101.620° E)位于青海省西宁市大通县塔尔镇下旧庄村。 该地区雷暴活动主要集中在6月— 8月份, 且多发生在中午之后到半夜之间。 实验场所海拔大约为2 530 m, 位于山区, 周围被山环绕。 高速摄谱仪和普通摄像仪的拍摄视野为实验场所北面的小山, 小山顶高于地面约200 m。 这是目前国际上唯一关于球状闪电全过程的视频和高时间分辨光谱资料, 相关结果已发表在Phys. Rev.Lett.[12]。 他们用彩色数码摄像机为记录系统的光谱仪记录了这次球状闪电的全过程, 用高速动态记录仪为记录系统的摄谱仪捕捉到2 360多张时间演化光谱图片。 对观测资料的初步分析发现, 这个球状闪电是云对地闪电击中地面后形成的。 光谱中清晰记录到了土壤元速中硅、 铁、 钙以及空气成分中氮和氧的辐射。 更重要的是, 球状闪电在生命的大多数时间内(稳定阶段)发光强度和光谱结构都呈小幅度的周期性震荡, 变化周期为10 ms。 这是关于球状闪电特性、 特别是能量来源的一个重要线索。 依据光谱成份, 他们证实了球状闪电的形成与云对地闪电和地面的相互作用密切相关。 基于观测资料, 他们进一步研究了其平均发光功率, 相关结果已发表在Appl. Phys. Lett.[13]

图6 球状闪电光谱[12]
(a): 普通摄谱仪拍摄的球状闪电及第一张光谱图片; (b): 普通摄谱仪拍摄的球状闪电及第二张光谱图片; (c): 高速摄谱仪拍摄的球状闪电及其光谱图片
Fig.6 The ball lightning spectra[12]
(a): The first spectral image taken with an ordinary spectrograph; (b): The second spectral image taken with an ordinary spectrograph; (c): The spectral images taken by a high-speed spectrograph

2016年夏季在青海省大同县进行野外闪电观测试验, 在首次回击的第一张图片上清晰地记录到了通道核心, 证实了闪电通道的电晕鞘模型, 如图7所示, 相关结果已发表在Appl. Phys. Lett.[14]。 文章通过比较通道核心与梯级先导完成的图片, 确定了向下移动的梯级先导和向上连接先导完成最后连接的位置(连接点), 并由此估算了闪击距离。 比较分析回击不同时刻的通道图片和光谱信息, 证实: 具有较高激发能的离子线主要是载流通道核心的贡献; 并发现回击放电最强的点在连接点处。 基于闪电电晕鞘模型, 初步分析了通道核心和其外缘弱发光区域形成的原因。 基于光谱特性证实连接点处的电流最大, 并发现连接点以下没有明显的通道核心, 这意味着电流是通过整个通道截面传输的。 这一特性是研究雷电连接过程和雷电物理机制的重要基础。

图7 闪电通道核心及光谱[14]Fig.7 The lightning channel core and spectra[14]

4 结论

在简要回顾早期闪电光谱研究工作的基础上, 主要分两个阶段(分别由普通数码摄像机和高速摄像机组装成的无狭缝光栅摄谱仪)对近二十年来国内外闪电光谱的研究进行阐述。 这些研究成果可为揭示闪电通道的形成和发展机制提供参考依据, 为雷电防护和预警提供科学指导。

2001年以来, 国内利用普通数码摄像机组装成无狭缝光栅摄谱仪开始对闪电光谱开展研究。 他们主要分析了闪电放电过程中的光谱结构及其特征, 讨论了不同地域的闪电放电光谱结构的差异。 结合等离子体理论, 定量研究了闪电回击通道的温度和电子密度随通道高度发生的变化, 计算了回击通道内的压强、 电离度、 电导率、 电子的热导率和热扩散系数等物理参数, 并对回击通道内的粒子数分布特征做了研究。 但限于普通数码摄像机的时间分辨率较低, 并没有对闪电通道发展过程中物理特性的变化作更加详细的分析。

为了获得更高时间分辨的闪电光谱, Warner等于2011年用高速摄像机(10 000帧· s-1)组装的无缝隙光谱仪记录了云-地闪电梯阶先导的光谱, 结果发现近红外的发射光谱主要是中性氮和中性氧, 同时也观测到Hα 和个别来自单电离氮的发射谱线。

2012年以来, 国内开始利用以高速摄像机作为记录系统集成的无狭缝光栅摄谱仪捕获闪电光谱, 取得了不少有价值的研究成果。 报道了直窜先导在近红外区域辐射出来的谱线为氮和氧原子谱线; 发现了在地闪连续电流和回击两种放电过程中, 电场变化幅度与相应光辐射的离子线总强度线性相关, 光谱总强度与相应通道可视直径线性相关; 应用萨哈-玻尔兹曼图法估测了回击通道的温度; 记录了球状闪电的全过程以及2 360多张时间演化光谱图片; 捕获到了闪电回击通道核心, 证实了闪电通道的电晕鞘模型。

2017年, Walker报道了时间分辨率为1.5 μ s左右的人工触发闪电起始阶段、 直窜先导、 回击和连续电流阶段的光谱。 为了提高时间分辨率导致图片的拍摄范围太小, 获取的只是闪电通道某一局部的光谱。 在回击起始阶段的1微秒内, 通道内的物理特性发生了迅速的变化, 更详细地观测初始电离通道发射光谱的变化需要亚微秒分辨率的摄谱仪, 指明了今后闪电光谱研究的发展趋势。

与光学观测相比, 光谱观测所要记录的信息量成倍增加, 会导致光谱资料的时间分辨率大幅度下降。 如果减小所拍图片的尺寸, 又不能拍摄到通道的整体面貌。 所以, 在现有设备的基础上改进摄谱仪、 调整拍摄策略, 以获取更高时空分辨率的光谱观测资料是急待解决的问题。

参考文献
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