闪电放电等离子体的传输特性研究

Research on the transport characteristic of the lightning discharge plasma has important theoretical and practical significance in the monitoring, defending the hazard of lightning and other related works. The application project intends to assemble a slit-less spectrograph using the high-speed camera which with the time precision of 20ns as recording system, and combine with the fast trigger eight channel fiber spectrograph, electric field change detecting instrument，take spectrum and synchronous atmospheric electric field observation of natural lightning in different regions, and obtain high time-resolved spectra of lightning discharge channel. Combining the spectral analysis with plasma conductivity theory and air plasma transport theory, calculate the electrical conductivity, the electron thermal conductivity of electric discharge channel, analyze the weak electric field produced by charged ions in the channel. Than the varying of these parameters with time and along the channel in the lightning discharge process will be discussed. Meanwhile, by comparative analysis with synchronous atmospheric electric field data, find the correlation between lightning discharge characters and transport parameters of discharge channel. Furthermore, the transport characteristics of the current and erergy during the lightning discharge will be discussed, and the reference data for lightning protection and unveiling the microscopic physical mechanism in lightning development process will be provided.

闪电放电等离子体传输特性的研究对雷电监测、防护等相关工作都有重要的理论及实际意义。申请项目拟利用时间精度为20ns的高速摄像机作为记录系统组装无狭缝光栅摄谱仪,配合快触发型八通道光纤光谱仪、大气电场变化探测仪，在国内不同的雷电多发地区进行自然闪电的光谱和同步的闪电电场观测试验，获取对放电通道直接分光的高时间分辨光谱。基于光谱信息和等离子体导电理论、空气等离子体传输理论，研究放电等离子体的电导率、热导率等传输特性参数；讨论带电离子产生的微电场随时间和沿通道的变化；与闪电电场的观测资料对比分析，寻找闪电放电特性与等离子体传输特性参数的相关性，进而探讨闪电放电过程中电流、能量的传输特性，为雷电防护和进一步研究闪电发展过程的微观物理机制提供参考数据。

闪电放电的强电流引起的高温和强电磁辐射是雷电灾害的主要根源，也是雷电防护和研究领域最关心的课题。闪电放电的载流通道是接近完全电离的等离子体通道，其物理特性、尤其是电流、能量传输特性的研究对雷电监测、防护等相关工作都有重要的意义。. 申请项目在青海高原雷电多发地区开展了闪电光谱及辐射电场变化的综合观测试验，获得了一批具有高时间分辨率和空间分辨率的闪电光谱资料，结合综合观测结果，对比分析大量光谱资料，找到了光谱特征与放电电流的相关性。分析了多回击负地闪过程中闪电光谱的离子线总强度与相应初始电场变化峰值间的关系以及光谱总强度和通道可视半径间的关系。分析结果表明：闪电初始电场变化峰值与光谱的离子线总强度近似成正比，发现并证实了闪电放电电流与离子线总强度的正比关系。依据这一关系，探讨了放电电流的传输特征，分析发现，闪电回击光谱的离子线总强度沿通道的变化规律与改进型传输线模型等电流模型得出的电流沿通道高度的变化规律一致。这一研究结果也进一步证实，闪电通道是由核心电流通道和外围发光通道组成，高激发能的NII、OII主要存在于核心电流通道，而具有低激发能的NI、OI主要存在于外围发光通道。此外，依据闪电发展不同阶段的光谱和同步的辐射电场变化资料，分析了回击电流随时间的衰减特征。结果表明，峰值电流之后，放电电流经过约101-139μs衰减到半峰值，然后缓慢衰减，与其他研究方法以及电流波形得到的结论一致。与电流的衰减相比较，峰值电流后，通道温度下降比较缓慢。在此基础上，进一步估算了闪电回击过程中单位长度通道释放的焦耳热，分析了热效应导致雷电灾害的根源。这一工作说明，依据闪电光谱的离子谱线总强度变化信息，讨论放电电流的演变特性是可行的，也为研究闪电放电电流及传输特性提供了新的途径。