1 兰州理工大学理学院物理系, 甘肃 兰州 730050
2 西北师范大学物理与电子工程学院, 甘肃省原子分子物理与功能材料重点实验室, 甘肃 兰州 730070
3 兰州城市学院电子与信息工程学院, 甘肃 兰州 730070
简要回顾了早期闪电光谱的研究, 分两个阶段综述了近二十年来国内外闪电光谱研究的最新进展。 在20世纪60年代和70年代初, 利用胶片相机获取的闪电光谱虽有诸多不足之处, 但仍然取得了很多非常重要的研究成果, 既为后期闪电光谱的研究奠定了坚实的基础, 也指明了发展方向。 2001年以来, 国内首先利用普通数码摄像机组装成无狭缝光栅摄谱仪开始开展闪电光谱研究。 普通数码摄像机虽然解决了胶片相机存在的问题, 但拍摄速度较慢(50帧·s-1), 只能研究闪电回击通道在该时间范围内的整体性质。 尽管如此, 这些工作又一次推动了闪电光谱研究的发展, 国际范围开始关注闪电光谱研究。 Warner等于2011年用高速摄像机组装的无狭缝光谱仪记录到了云-地闪电梯阶先导的光谱, 大幅度提高了拍摄速度(10 000帧·s-1)。 2012年以来, 国内也开始利用以高速摄像机作为记录系统集成的无狭缝光栅摄谱仪捕获闪电光谱, 用更高时间分辨率对闪电通道不同阶段的辐射光谱开展了大量研究, 并取得了多项引人瞩目的成果, 主要包括自然闪电的梯级先导、 直窜先导和回击以及球状闪电和闪电通道核心的光谱研究。 2017年, Walker报道了时间分辨率为1.5 μs左右、 波长范围分别为380～620和620～870 nm的人工触发闪电起始阶段、 直窜先导、 回击和连续电流阶段的光谱, 但因拍摄范围太小, 获取的只是闪电通道某一局部的光谱。 由此可知, 如何获取更高时空分辨率的光谱资料是闪电光谱研究领域急待解决的问题。
闪电光谱 高速摄谱仪 球状闪电 闪电通道核心 Lightning spectrum High speed spectrograph Ball lightning Lightning channel core 光谱学与光谱分析
2023, 43(6): 1661
1 南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心/中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室, 江苏 南京 210044
2 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室, 北京 100081
3 中国科学院中层大气和全球环境探测重点实验室, 北京 100029
4 西北师范大学物理与电子工程学院, 甘肃省原子分子物理与功能材料重点实验室, 甘肃 兰州 730070
连续电流是闪电放电过程中的一个重要子物理过程, 它是指雷暴云局部电荷中心在回击之后沿原通道对地的持续放电过程。 在连续电流阶段, 原本发光微弱的通道其亮度有时会突然增强, 这种现象被称为叠加了M分量, 自20世纪连续电流被发现以来, 国内外学者进行了许多观测研究。 目前主要是利用电磁学和光学的观测手段揭示其放电和发光的宏观特征, 利用光谱观测对其通道内部微观的发光信息和物理特性等的研究还很缺乏。 如关于连续电流阶段放电通道内的温度特性参数目前鲜有报道, 而温度是研究闪电连续电流放电通道物理特性所必需的基本参量, 也是预防连续电流引起的雷电灾害事故所关心的参数。 依据由无狭缝高速光谱仪观测的一次云对地闪电首次回击后叠加三个M分量的连续电流过程的光谱资料, 分析了整个放电过程中光谱的演化特征, 计算了连续电流放电过程电流核心通道和外围电晕通道的温度, 研究了两者随通道高度的变化特性。 结果表明, 在初始回击阶段, 通道的光辐射主要是激发能较高的一次电离的氮离子辐射, 在之后连续电流阶段, 通道的光辐射则主要是激发能较低的中性氮、 氧原子辐射。 离子线辐射在回击初期时最强, 氢Hα线和红外波段的中性原子线在M1时最强, 连续谱在M2时最强。 近红外波段的四条线OⅠ 777.4, NⅠ 746.8, 821.6和868.3 nm在整个放电过程都可以被观测到。 在连续电流阶段, 电流核心通道温度为42 060~43 940 K, 比相应回击核心通道温度高6 020~7 900 K; 外围电晕通道温度为16 170~20 500 K; 通道核心温度和电晕温度均随时间变化不大; 通道核心温度随通道上升呈减小趋势, 而外围电晕温度随通道上升呈增大趋势。
闪电连续电流 光谱 电流核心通道 电晕通道 温度 Continuing current Spectrum Current-carrying channel Corona sheath Temperature 光谱学与光谱分析
2022, 42(7): 2069
强激光与粒子束
2022, 34(12): 124002
1 兰州理工大学理学院物理系, 甘肃 兰州 730050
2 西北师范大学物理与电子工程学院, 甘肃 兰州 730070
3 南京信息工程大学大气物理学院, 江苏 南京 210044
4 山西师范大学物理与信息工程学院, 山西 临汾 041004
闪电回击通道核心中的大电流及其强电磁辐射是引发多种雷电灾害的主要根源。 随着现代科技的飞速发展, 闪电防护工作显得越为重要。 为了完善闪电防护系统, 需要从描述闪电回击通道核心的特征参数入手深入研究闪电通道形成和发展过程的微观物理机制。 截至目前, 光谱观测是获取闪电通道核心特征参数的最佳手段。 2015年夏天在青海高原地区的野外试验中, 利用由高速摄像机作为记录系统组装的无狭缝光栅摄谱仪, 结合快天线地面电场测量仪, 记录到一次包括四个回击的云地闪电放电过程的光谱以及与之同步的快电场变化信息。 依据光谱, 结合等离子体理论计算得到闪电回击通道核心的电导率。 在此基础上, 应用闪电电动力学模型计算了闪电回击速度、 峰值电流、 贯穿通道核心的电磁场以及通道核心单位长度的峰值功率等特征参数。 结果表明, 回击速度在(1.2~2.3)×108 m·s-1的范围内; 贯穿回击通道核心的轴向电场、 径向电场和磁感应强度的最大值分别在(1.42~1.74)×105 V·m-1, (8.22~9.99)×108 V·m-1和(1.51~2.83) T的范围内。 当闪电回击的峰值电流在(7.52~24.05) kA的范围内时, 回击通道核心的峰值功率在(0.63~1.92)×109 W·m-1的范围内。 另外, 分析了电导率、 起始电场峰值、 回击速度和峰值电流与峰值功率之间的相关性, 结果发现峰值电流和峰值功率具有良好的线性关系。 研究结果可为探索闪电回击通道形成和发展过程的微观物理机制提供参考依据。
闪电光谱 回击通道核心 特征参数 物理机制 Lightning spectrum Return stroke channel core Characteristic parameters Physical mechanism 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3269
1 南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室, 气候与环境变化国际合作联合实验室, 气象灾害预报预警与评估协同创新中心, 中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室, 江苏 南京 210044
2 西北师范大学物理与电子工程学院, 甘肃省原子分子物理与功能材料重点实验室, 甘肃 兰州 730070
闪电放电通道的电阻及电流产生的热效应对雷电灾害研究以及防护设计都具有重要意义, 放电通道的热力学特性与其等离子体辐射光谱密切相关。 利用无狭缝摄谱仪获得的两次云对地多回击闪电放电的等离子体辐射光谱, 依据谱线波长、 强度等信息, 结合同步地面电场变化资料, 应用空气等离子体传输理论, 计算了闪电回击放电通道的电导率、 峰值电流、 核心通道半径, 进而得到了闪电回击等离子体通道单位长度的电阻、 峰值电流时的热功率及在回击初始前5 μs内通道储存的热能。 并与常规金属导体进行比较, 分析了闪电回击放电在峰值电流时等离子体通道的热功率与电阻、 电流平方之间的相关性关系。 结果表明: 利用光谱研究得到的闪电放电通道的电阻为0.04～8.41 Ω·m-1、 峰值电流时的热功率为0.88×108～2.20×108 W·m-1、 回击初始前5 μs内通道储存的热能为1.47×102～3.66×102 J·m-1, 以上结果与文献报道的利用其他方法得到的结果相比, 在合理的范围内; 与常规金属导体相比, 闪电回击放电等离子体通道在峰值电流时的热功率与电阻成正比, 但与电流的平方呈指数减小的关系; 由于闪电等离子体通道的电阻与温度的3/2次方成反比, 通常回击放电通道中峰值电流越大, 通道温度越高, 而电阻会迅速降低, 因此热功率也会急剧减小。 此结论进一步验证了采用欧姆加热方法加热等离子体的致命缺点。
闪电回击通道, 电阻, 热功率, 热能 Channel of lightning return stroke Resistance Thermal power Heat energy 光谱学与光谱分析
2019, 39(12): 3718
1 武汉邮电科学研究院，武汉 430074
2 烽火通信科技股份有限公司，武汉 430205
为了实现不同类型业务和不同颗粒大小业务的统一交换，需要对统一交换技术中设备间所用的参考时钟进行相位对齐与锁定。文章采用E1接口的帧信号来传递时钟的相位信息，并通过设备间帧信息的多次交互及现场可编程门阵列实现对帧信息的处理，从而对设备的时钟相位做出调整。仿真结果表明，设备间参考时钟的相位可以相互锁定。该方案全部采用硬件通道进行处理，不会发生相位信息丢失和误传的现象，可以高效地解决设备间的时钟相位锁定问题。
通信技术 分割与重组 相位锁定 现场可编程门阵列 成帧与解帧 communication technology SAR phase locked FPGA encode the frame and decode the frame
1 兰州城市学院电子与信息工程学院, 甘肃 兰州 730070
2 西北师范大学物理与电子工程学院, 甘肃省原子分子物理与功能材料重点实验室, 甘肃 兰州 730070
基于连续辐射理论, 得到连续辐射能量与等离子体电子温度的关系式。 依据青海地区一次强地闪回击过程的光谱, 从中分离出连续辐射强度, 对其吸收特征进行分析以减小吸收带来的计算误差。 通过对连续谱强度的曲线拟合得到闪电放电通道电子温度, 温度峰值为29 800 K, 温度下限为16 200 K, 由同一波段光谱中的O Ⅰ线和N Ⅱ线分别拟合了电子温度。 比较结果发现: 由连续辐射得到的闪电通道电子温度从高温向低温过渡, 高温值与离子线信息获得的闪电核心电流通道处的温度符合较好, 而低温则与原子线计算的结果接近, 反映了外围电晕发光通道的温度。 所以, 依据连续谱得到的结果能更全面地反映温度沿通道径向的分布。 对于闪电热等离子体通道, 连续谱法提供了一种计算闪电放电通道电子温度的新途径, 对地闪回击研究有一定的意义。
闪电光谱 连续辐射 光谱分离 电子温度 Lightning spectra Continuous radiation Spectrum separation Electron temperature 光谱学与光谱分析
2018, 38(4): 1209
西北师范大学物理与电子工程学院甘肃省原子分子物理与功能材料重点实验室， 甘肃 兰州 730070
依据3个闪电回击过程的时间分辨光谱，采用不同的方法计算闪电核心电流通道温度及外围发光通道温度，研究了回击电流衰减过程中通道温度随时间的演化特性。结果表明，核心电流通道温度比外围发光通道温度高4000~5000 K。在峰值电流之后，相比于电流的变化，通道温度的衰减更为缓慢。峰值电流之后约400 μs时，通道温度仍维持在20000 K左右，如此长时间的高温导致的热效应是许多闪电灾害的主要根源。
光谱学 闪电通道温度 Saha方程 Stark加宽
1 西北师范大学物理与电子工程学院,甘肃省原子分子物理与功能材料重点实验室, 甘肃 兰州 730070
2 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所, 甘肃 兰州 730000
3 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
利用无狭缝摄谱仪获得的地闪回击光谱, 结合同步电场资料, 计算了一次闪电放电过程中的通道温度、 电导率、 回击电流峰值、 通道光亮度和电磁功率峰值等参数, 均在文献报道的合理范围内。 并由此讨论了回击前截止时间、 回击通道光亮度及电磁功率峰值之间的相关性, 研究了放电通道的电导率、 电流和电磁功率之间的变化关系。 结果表明: 回击前截止时间越长, 回击过程中所中和的电荷越多, 形成的电流越大, 辐射出的电磁能量越大。 当通道电导率变大, 同时电场变化峰值也增大时, 通道内电流变大, 回击过程中辐射出的电磁功率也变大。 这方面的工作为计算闪电放电过程中产生的光学能量和电磁能量提供一定的参考依据。
闪电光谱 电磁功率 通道光亮度 电导率 Lightning spectra Electromagnetic power Luminance of the channel Conductivity 光谱学与光谱分析
2015, 35(6): 1474
西北师范大学物理与电子工程学院,甘肃省原子分子物理与功能材料重点实验室, 甘肃 兰州 730070
利用单光束光声光谱实验装置,分别测量了葡萄糖溶液、蔗糖溶液和蜂蜜溶液在可见光波段的光声光谱,并与分光光度法测得的数据进行了比较.上述溶液的光谱特征表明:不同种类的溶液,光谱背景强度和轮廓有明显差异.三种溶液的光谱在485和655 nm处都有较强峰,但二者的强度比在不同溶液中有一定差异.另外,葡萄糖还在475,576和630 nm处有特征峰;蔗糖在632 nm处出现明显特征峰;这些光谱特征为鉴别天然蜂蜜中是否有葡萄糖或蔗糖掺假提供了依据.比较同种溶液的两种光谱发现:光声信号强度随波长的变化更灵敏,说明在物质成分检测中,光声光谱法具有更高的灵敏度.
光声光谱 葡萄糖 蔗糖 蜂蜜 特征峰 Photoacoustic spectroscopy Glucose Sucrose Honey Characteristic peak 光谱学与光谱分析
2015, 35(5): 1177
