闪电先导的光谱观测及等离子体特性研究

Research on lightning physical process and mechanism is the theory basis for lightning warning and protection work. Lightning Leader is the initial stage in the lightning discharge processes and develops the channel of the lightning. The physical characteristic of the leader propagation process have long been an important topic in lightning protection field. This project will study the plasma characteristics of lightning leaders by the method of spectrum observation. The whole high time-resolved spectra of leader will be obtained by the spectral observation experiment which was conducted in the area of frequent activities of lightning. The physical parameters reflecting the plasma characteristics of leader, including the temperature, electron density and electrical conductivity, are calculated based on the spectral analysis and plasma theory. The evolution properties of physical parameters will be studied in the leader propagation process. We will consider the factors including the leader shape, branch, and speed, explore the reasons of leader choosing path and striking position, furtherly discuss the micro physical mechanism in the leader propagation process.

闪电物理过程和机制的研究是雷电预警和防护工作的理论依据。先导是闪电放电的始发阶段，为闪电开辟通道，其发展过程的物理特性一直是防雷领域重点关注的课题。本项目拟通过光谱观测法研究闪电先导的等离子体特性：利用高速摄谱仪在国内雷电活动频繁地区进行闪电先导的光谱观测试验，从而获取一批完整的高时间分辨的先导光谱资料。通过光谱分析，结合等离子体理论，计算获得反映先导等离子体特性的物理参数，如温度、电子密度、电导率等。研究先导发展过程中物理参量的演化特性，考虑先导在发展过程中的形状、分枝、传输速度等因素，探寻先导选择传输路径以及雷击位置的原因，进而探讨闪电先导发展过程的微观物理机制。

闪电是一种瞬间释放能量的过程，其产生大电流、超高温、强电磁辐射等物理效应是引起闪电灾害的主要原因。研究闪电的发展过程和物理机制是雷电预警和防护工作的基础前提。先导是闪电放电的始发阶段，为闪电开辟放电通道，确定最终雷击位置，其发展过程的物理特性是防雷领域重点关注的课题。本项目利用高速摄谱仪，进行了闪电先导的光谱观测试验，获得了高时间分辨（小于100 μs）、宽波长范围（400-1000 nm）的光谱资料，发现闪电先导的光谱主要是氮和氧的原子线。通过光谱分析并结合相应的等离子体理论获得了闪电梯级先导的温度平均值约为15000 K，电子密度数量级为10^18 /cm3。在梯级先导传输过程中温度和电子密度都呈现减小的趋势，特别是先导在达到地面时的电子密度减小为在云底时的一半。闪电直窜先导的平均温度为21000 K，电子密度的数量级为10^17 /cm3，与梯级先导相比差异较大，也体现了二者不同的发展物理机制。首次在实验的基础上计算了闪电先导的电阻和电导率。梯级先导的电阻为几到十几欧姆每米，要高于直窜先导和回击。电导率在10^3 S/m数量级，要比闪电回击的电导率小一个数量级。闪电先导的能量约为10^4 J/m数量级。建立了理论模型，模拟了闪电先导在不同电场分布下的发展情况。