浅析电子密度与闪电放电特性之间的相关性

陈琛

摘 要：闪电是一种常见的自然现象，蕴藏着巨大的能量。而能量释放时会产生强大的电流和电压，给人们的生产和生活带来极大的破坏。通过介绍闪电特性和等离子体理论，利用等离子体理论分析闪电光谱，并采用Saha方程计算闪电通道的电子密度，进而得出电子密度与闪电特性之间的关系。

关键词：闪电特性；电子密度；光谱分析；Saha方程

中图分类号：P427.3 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.084

闪电放电过程中，各种气体和原子汇集释放出巨大的能量，而能量的释放会形成光辐射。因此，研究闪电的光谱能够使人们认识到闪电放电过程中放电通道的等离子体行为。通过计算闪电通道的电子密度，可以更加准确地掌握闪电特性，这对于人们了解自然、防范闪电灾害具有非常重要的现实意义。

1 闪电特性介绍

1.1 闪电的形成

闪电的形成过程为：云团中的水和冰雹在强气流的作用下相互摩擦、撞击，进而产生大量的静电。云层内质地较轻的雾气会堆积在云层上方且带正电，质地较重的冰雹会堆积在云层下方且带负电。当云层与云层之间发生相互作用时，会引发大地产生带电感应。当正、负电荷能量聚集超过承受点时，就会以闪电的方式释放能量。闪电的形状通常有线状、带状、片状和球状等。闪电可以发生在天空，也可以发生在地面。

1.2 闪电的分类

根据起电原理，可将闪电分为感应起电、分离起电、结冰起电、温差起电和对流起电。感应起电是大气层中的正、负离子在云层的相互作用下产生电场力而形成的闪电；云层中的水滴在强气流的作用下分裂成大小不一的正、负颗粒，云层上端为较小的带正电的颗粒，云层下端为较大的带负电的颗粒，分离起电是在正、负电荷的相互作用下产生的闪电；结冰起电是云层水滴与冰晶正、负电荷分离所产生的闪电；温差起电是由于天空与地面存在较大温差而使大气凝结成冰雹，在对流作用下产生静电感应，从而产生的闪电；对流起电是上升气流与下沉气流之间发生碰撞而形成的闪电。

1.3 闪电放电过程

当云层的负电荷与地面的正电荷之间局部电场强度超过大气游离临界场强时，会发生先导放电。先导放电沿闪电放电通道向大地发展，地面感应电荷急剧增加，正电荷沿闪电通道向天空发展，二者相遇后在通道端部产生高密度的等离子区。这时，正、负电荷迅速结合发生主放电现象。

2 等离子体理论

2.1 闪电放电等离子体

在闪电放电过程中，瞬间产生的电流可达数百千安，由此在闪电放电通道中产生几万千瓦时的热能。这时大气中的各个分子和原子被电解分离，形成数以万计的电子和离子。这些电离度很高的电离气体即为闪电放电等离子体。闪电放电等离子体具有正、负电荷总数相等的特性，可利用该特性研究闪电放电时闪电通道内部的物理状态。

2.2 闪电光谱分析

闪电为大气长尺度放电，发生时伴随着强烈的光辐射。通过分析闪电光的谱线持续时间和强度变化可得出闪电光谱的辐射顺序为一次电离NII和OII离子谱线、较低激发能离子谱线、高激发能离子谱线。闪电光谱是由多种原子和分子光谱构成的。

在2910-9100 波段内，闪电原子光谱线包括NII、OII、NI、

OI、H、ArI、CaI、CI等；分子光谱线包括N2（2P）、N2+（1n）、OH、NH、CN等。在强闪过程中，通常跃迁谱线出现的概率大，激发能量高；在弱闪过程中，跃迁谱线出现的概率小，激发能量低。

2.3 Saha方程的具体应用

假设闪电通道满足热动平衡条件，利用Saha方程对闪电通道中的等离子体电离度用温度、密度和原子电离能的函数描述。在闪电等离子通道内，各离子和原子的速度满足Saha分布，由此判定闪电等离子体内部电离度决定了闪电通道内粒子的分布情况。由此利用Saha方程描述闪电电子密度的表达式为：

. （1）

式（1）中：k为玻尔兹曼常数；T为通道温度；IA为原子谱线的相对强度；II为离子谱线的相对强度；g为统计权重；A为跃迁概率；λ为波长；V为原子的电离能；EA为相应原子谱线跃迁的激发能；EI为相应离子谱线跃迁的激发能。

3 电子密度与闪电特性之间的关系

3.1 光谱总强度与电流的相关性

闪电放电通道是一种等离子体通道，因此可利用电子密度和温度反映闪电放电的物理过程。由于闪电发生的时间和空间具有较大的随机性，因此，利用光谱分析、研究闪电放电等离子体特性是目前主要的研究手段。在同一次闪电的不同回击中，电流的大小与光谱的总强度是对应关系，首次回击的最大电流可达到回击峰值。这时，闪电所对应的光谱总强度也为最高值。通过光谱变化趋势，可分析闪电放电过程中电流的变化特征。

3.2 首次回击通道温度与电流作用积分的相关性

电流热效应可通过电流作用积分表述，首次回击前闪电通道的温度为环境温度。在回击过程中，闪电通道温度急速升高，通道中的电流作用积分也急剧增加，闪电通道温度变化与电流作用积分成正比，因此可利用电流作用积分计算闪电的传输能量。

3.3 不同回击通道温度与作用积分的相关性

闪电回击通道温度与作用积分呈正相关，但是在不同的回击通道中，等离子体温度与作用积分却呈非正相关。这是因为相邻两次回击的时间间隔较短，闪电通道在还没有冷却的情况下再次升温，因此，通道的温度与作用积分不呈正相关。

4 结束语

综上所述，利用闪电光谱分析电子密度与闪电特性之间的关系后得出，首次回击时闪电通道温度与电流作用积分成正比，在同一次闪电的不同回击中，光谱强度与放电电流呈正相关。利用这种关系可判断闪电电流的强度，并通过闪电通道温度，同时结合Saha方程，可计算出闪电的能量值。

参考文献

[1]王杰，袁萍，郭凤霞，等.云闪放电通道内的粒子密度及分布特征[J].地球物理学报，2010（06）.

[2]张华明，袁萍，吕世华，等.闪电回击通道的电子密度研究[J].高原气象，2007（02）.

[3]袁萍，常正实.利用Saha方程和H线的Stark加宽研究闪电放电通道的电子密度[J].西北师范大学学报（自然科学版），2010（05）.

〔编辑：刘晓芳〕