1、引 言
在雷暴過程中，云閃發(fā)生的頻數(shù)約占閃電總數(shù)的三分之二以上。云閃放電不僅會(huì)給人類航空事業(yè)的發(fā)展造成嚴(yán)重威脅，也會(huì)產(chǎn)生大量的植物生長(zhǎng)所必需的氮氧化物。這些都離不開閃電放電產(chǎn)生的大電流、強(qiáng)電磁輻射以及伴隨閃電過程復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。而閃電產(chǎn)生的電流、能量和氮氧化物與通道中的熱力學(xué)特性和輸運(yùn)特性參數(shù)密切相關(guān)。因此，對(duì)于云閃放電通道特性的研究就成為相關(guān)領(lǐng)域所關(guān)注的課題。其中，溫度和電子密度作為閃電放電等離子體的基本參數(shù)，對(duì)于研究云閃放電通道的物理特性及其云閃放電過程的物理機(jī)制至關(guān)重要。
電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)對(duì)于研究通道中電流、能量的分布及輸運(yùn)特性具有重要意義。
利用光譜對(duì)于地閃放電通道的一些特性參數(shù)已經(jīng)有一定的研究，如，溫度、電子密度和電導(dǎo)率。這使利用光譜研究閃電通道特性的方法比較成熟、可靠。由于云閃放電的隨機(jī)性及其比地閃具有更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，使得對(duì)云閃放電通道特性的研究一直停滯不前。目前為止，關(guān)于云閃放電通道溫度的研究很少，而對(duì)于云閃放電通道的電子密度、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)的研究尚無報(bào)道。
閃電放電的高溫以及所產(chǎn)生的強(qiáng)大電流和強(qiáng)電磁輻射等特點(diǎn)，使得人們無法接近放電通道進(jìn)行研究。由于閃電光譜與放電通道內(nèi)的微觀物理過程密切相關(guān)，并且光譜分析是診斷放電通道中等離子體行為的有效方法，因此，利用閃電光譜研究閃電放電通道的一些特性已為人們頻繁使用。
本文依據(jù)在西藏地區(qū)用無狹縫光柵攝譜儀拍攝到的云閃放電過程的光譜，在王杰等工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用Saha 方程得到了三次云閃放電通道的電子密度。由于閃電放電通道是一個(gè)等離子體通道，而且空氣等離子體的輸運(yùn)理論已經(jīng)比較成熟，所以我們突破傳統(tǒng)約束，創(chuàng)造性的將其用于研究云閃放電通道的輸運(yùn)特性，首次計(jì)算了云閃放電通道的部分輸運(yùn)特性參數(shù)，電導(dǎo)率σ 、電子的熱導(dǎo)率eλ 和熱擴(kuò)散系數(shù)Te D ;最后，以云閃21:11:50為例，結(jié)合云閃放電原通道研究了幾個(gè)特性參數(shù)在通道不同位置上的變化趨勢(shì)，得到了一些有益的結(jié)論。
2、理論方法
基本假設(shè)
利用光譜信息研究閃電放電等離子體的相關(guān)特性參數(shù)，需要建立以下幾個(gè)基本假設(shè)：(1)閃電放電通道光學(xué)薄;(2)通道處于局域熱力學(xué)平衡(LTE); (3)對(duì)放電通道而言，干濕空氣的熱力學(xué)性質(zhì)幾乎相同;(4)物理特性沿通道截面徑向分布均勻。假設(shè)的有效性O(shè)rville已經(jīng)做過詳細(xì)論證。
云閃放電通道的電子密度
本工作中用到的三次云閃放電的通道溫度已經(jīng)被王杰等得到，在此基礎(chǔ)上，通常根據(jù)Saha 方程計(jì)算通道的電子密度。
3、云閃放電等離子體的輸運(yùn)特性參數(shù)
等離子體的輸運(yùn)特性參數(shù)的計(jì)算不僅與等離子體的溫度、粒子數(shù)密度等參量有關(guān)，也強(qiáng)烈地依賴于粒子間的碰撞積分。在計(jì)算粒子間的碰撞積分時(shí)，碰撞粒子間相互作用勢(shì)的選取非常重要，考慮到等離子體中其它粒子對(duì)碰撞粒子的屏蔽作用，選取荷電粒子間的相互作用勢(shì)為屏蔽庫(kù)侖相互作用勢(shì)。另外，云對(duì)地閃電放電等離子體粒子濃度的研究工作已經(jīng)表明:通道中三次以上電離離子的相對(duì)濃度很低，它們對(duì)通道特性參數(shù)的貢獻(xiàn)很小。
4、計(jì)算結(jié)果及分析
利用無狹縫光柵攝譜儀在我國(guó)西藏地區(qū)獲得的云閃放電通道光譜，本工作選取了三張分辨比較清晰的原始光譜，以閃電發(fā)生時(shí)間(北京時(shí)間)命名，分別標(biāo)記為 21:11:50(Aug.13.2003，Naqu Tibet)、21:23:44 (Aug.13.2003， Naqu Tibet)、21:14:49(Aug.13.2003， Naqu Tibet)。根據(jù)通道形狀和光譜的分辨質(zhì)量，在每一個(gè)放電通道上選取幾個(gè)分辨比較清晰、有代表性的位置，分別做出用譜線相對(duì)強(qiáng)度表示的光譜圖。
在每一個(gè)通道選取了分辨比較清晰的不同位置，利用NI 和NII 的多條譜線，根據(jù)Saha 分布，由(1)式計(jì)算了通道的電子密度，在表1 第二列給出;將空氣等離子體的輸運(yùn)理論應(yīng)用于云閃閃電放電通道，計(jì)算了放電通道的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)。
據(jù)可以看出，三次云閃放電的電子密度Ne=1.950×1018cm-3~2.480×1018cm-3，電導(dǎo)率σ=2.393×104S m-1~2.533 ×104S m-1，電子的熱導(dǎo)率λe=8.619W m-1 K-1~9.319W m-1 K-1，電子的熱擴(kuò)散系數(shù)DeT=1.990×10-7kg m-1 s-1~2.115×10-7kg m-1 s-1。結(jié)合地閃的相關(guān)工作得知，閃電放電的電子密度約為1018cm-3 的量級(jí)，電導(dǎo)率應(yīng)在1.0×104S m-1~3.0×104S m-1 范圍內(nèi)，容易看出，本文得到的云閃放電的電子密度和電導(dǎo)率的數(shù)據(jù)是合理的。因?yàn)楸竟ぷ髦醒芯侩妼?dǎo)率、電子的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)的方法相同，所以得到的數(shù)據(jù)有相同的合理性。因此，我們就可以推斷得到的云閃放電通道的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)的數(shù)據(jù)是可靠的。另外，云閃21:23:44 的各參數(shù)都大于云閃21:11:50 和21:14:49 中各參數(shù)的值，主要原因是：結(jié)合原通道來看，云閃21:11:50 和21:14:49 的主通道只有一個(gè)，比較直且分叉比較少，而云閃21:23:44是一個(gè)雙通道的閃擊，由于兩個(gè)通道彼此的影響和二級(jí)譜的干擾，并且分叉比較多。
最后，以云閃21:11:50 為例，研究了通道不同位置處各參數(shù)與溫度的關(guān)系。