自然球状闪电的物理特性研究

Lightning research and protection have long been an issue of concern. Ball lightning is still one of the unexplained physical phenomena for its strange behavior and lack of scientific observations. Recently, we recorded the entire processes and the spectra of a natural ball lightning by using two slitless spectrographs, and revealed the source and major components of the ball lightning. This project will amply analyze the characteristics of the spectrum, light intensity, color and motion of the ball lightning based on the present data. Using the spectra and combining the corresponding plasma theory, obtain the basic parameters including temperature, density and energy, which reflect the physical characteristics of ball lightning. Investigating the physical properties of ball lightning formation and developing process by coordinating with related laboratory and field experiments. Based on the above works, the conditions for occurrence of natural ball lightning will be investigated. These results will provide reliable basis for further revealing the physical mechanisms of ball lightning.

闪电的研究和防护一直是相关领域关心的课题。球状闪电由于奇特的行为、缺少科学的观测资料，是迄今仍不能解释的物理现象之一。近期，我们用两台无狭缝光谱仪记录了一次自然球状闪电的发展全过程及光谱，并揭示了球状闪电的产生方式和主要成分。本项目拟基于已有资料，进一步分析球状闪电的光谱、光强、大小、颜色及运动特征；利用光谱、结合相应的理论计算，获得球状闪电等离子体的温度，电子密度和能量等反映其物理特性的基本参量；配合相关的实验室及野外观测试验，研究球状闪电发生、发展过程的物理特性。在此基础上，探讨自然球状闪电发生的条件，为进一步揭示球状闪电的物理机制提供依据。

闪电的研究和防护一直是相关领域关心的课题。球状闪电由于奇特的行为、缺少科学的观测资料，是迄今仍不能解释的物理现象之一。球状闪电物理特性的研究也是等离子体物理、高能物理、军事科学等邻域关注的课题。研究项目基于实验获得的一次自然球状闪电发展全过程的光学图片及光谱数据，分析了球状闪电光谱中各元素的变化及其演化特征；结合等离子体有关理论，粗略估算了球闪等离子体的温度；配合每年夏季的野外综合观测实验，设计、开展了球形光源发光强度和功率估算的模拟实验，在拍摄球状闪电相同的环境条件和参数设置下观测、并对比分析了已知光源的发光强度，依据观测结果、结合比尔-朗伯定律，考虑光在传播过程中的吸收、散射等衰减效应，通过对光源尺寸、发光功率、观测距离、所记录到的光强等参量的对比分析，估算了自然球状闪电在400-690 nm波长范围的发光强度、光辐射通量以及发光功率。结果表明，实验记录的自然球状闪电的最大发光强度约为106 cd，可见波段（400-690 nm）最大光辐射通量约为105 J。通过光谱分析，讨论了球状闪电中各元素随时间的变化与能量的相关性。对比分析大量云对地闪电的光谱资料，证实闪电放电通道是由核心电流通道和外围发光通道组成，核心电流通道中高激发能的NII、OII离子占主要地位，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，研究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。依据上述关系，探讨了放电电流的传输特征。结合自然云对地闪电放电等离子体热力学特性和导电特性、能量传输特性的研究，配合气象观测和大气电场以及闪电引起的地面电场变化资料分析，探讨了天气条件、地理环境、雷暴特征对引发自然球状闪电的作用，为进一步揭示球状闪电的物理机制提供了参考数据。