论文题目：云闪放电通道部分特性参数
1、引言
在雷暴过程中，云闪发生的频数约占闪电总数的三分之二以上。云闪放电不仅会给人类航空事业的发展造成严重威胁，也会产生大量的植物生长所必需的氮氧化物。这些都离不开闪电放电产生的大电流、强电磁辐射以及伴随闪电过程复杂的化学反应。而闪电产生的电流、能量和氮氧化物与通道中的热力学特性和输运特性参数密切相关。因此，对于云闪放电通道特性的研究就成为相关领域所关注的课题。其中，温度和电子密度作为闪电放电等离子体的基本参数，对于研究云闪放电通道的物理特性及其云闪放电过程的物理机制至关重要。
电导率、热导率和热扩散系数对于研究通道中电流、能量的分布及输运特性具有重要意义。
利用光谱对于地闪放电通道的一些特性参数已经有一定的研究，如，温度、电子密度和电导率。这使利用光谱研究闪电通道特性的方法比较成熟、可靠。由于云闪放电的随机性及其比地闪具有更复杂的结构，使得对云闪放电通道特性的研究一直停滞不前。目前为止，关于云闪放电通道温度的研究很少，而对于云闪放电通道的电子密度、电导率、热导率、热扩散系数的研究尚无报道。
闪电放电的高温以及所产生的强大电流和强电磁辐射等特点，使得人们无法接近放电通道进行研究。由于闪电光谱与放电通道内的微观物理过程密切相关，并且光谱分析是诊断放电通道中等离子体行为的有效方法，因此，利用闪电光谱研究闪电放电通道的一些特性已为人们频繁使用。
本文依据在西藏地区用无狭缝光栅摄谱仪拍摄到的云闪放电过程的光谱，在王杰等工作的基础上，进一步利用Saha方程得到了三次云闪放电通道的电子密度。由于闪电放电通道是一个等离子体通道，而且空气等离子体的输运理论已经比较成熟，所以我们突破传统约束，创造性的将其用于研究云闪放电通道的输运特性，首次计算了云闪放电通道的部分输运特性参数，电导率σ、电子的热导率eλ和热扩散系数TeD;最后，以云闪21:11:50为例，结合云闪放电原通道研究了几个特性参数在通道不同位置上的变化趋势，得到了一些有益的结论。
2、理论方法
基本假设
利用光谱信息研究闪电放电等离子体的相关特性参数，需要建立以下几个基本假设：(1)闪电放电通道光学薄;(2)通道处于局域热力学平衡(LTE);(3)对放电通道而言，干湿空气的热力学性质几乎相同;(4)物理特性沿通道截面径向分布均匀。假设的有效性Orville已经做过详细论证。
云闪放电通道的电子密度
本工作中用到的三次云闪放电的通道温度已经被王杰等得到，在此基础上，通常根据Saha方程计算通道的电子密度。
3、云闪放电等离子体的输运特性参数
等离子体的输运特性参数的计算不仅与等离子体的温度、粒子数密度等参量有关，也强烈地依赖于粒子间的碰撞积分。在计算粒子间的碰撞积分时，碰撞粒子间相互作用势的选取非常重要，考虑到等离子体中其它粒子对碰撞粒子的屏蔽作用，选取荷电粒子间的相互作用势为屏蔽库仑相互作用势。另外，云对地闪电放电等离子体粒子浓度的研究工作已经表明:通道中三次以上电离离子的相对浓度很低，它们对通道特性参数的贡献很小。
4、计算结果及分析
利用无狭缝光栅摄谱仪在我国西藏地区获得的云闪放电通道光谱，本工作选取了三张分辨比较清晰的原始光谱，以闪电发生时间(北京时间)命名，分别标记为21:11:50(Aug.13.2003，NaquTibet)、21:23:44(Aug.13.2003，NaquTibet)、21:14:49(Aug.13.2003，NaquTibet)。根据通道形状和光谱的分辨质量，在每一个放电通道上选取几个分辨比较清晰、有代表性的位置，分别做出用谱线相对强度表示的光谱图。
。在每一个通道选取了分辨比较清晰的不同位置，利用NI和NII的多条谱线，根据Saha分布，由(1)式计算了通道的电子密度，在表1第二列给出;将空气等离子体的输运理论应用于云闪闪电放电通道，计算了放电通道的电导率、热导率和热扩散系数。
据可以看出，三次云闪放电的电子密度Ne=1.950×1018cm-3~2.480×1018cm-3，电导率σ=2.393×104Sm-1~2.533×104Sm-1，电子的热导率λe=8.619Wm-1K-1~9.319Wm-1K-1，电子的热扩散系数DeT=1.990×10-7kgm-1s-1~2.115×10-7kgm-1s-1。结合地闪的相关工作得知，闪电放电的电子密度约为1018cm-3的量级，电导率应在1.0×104Sm-1~3.0×104Sm-1范围内，容易看出，本文得到的云闪放电的电子密度和电导率的数据是合理的。因为本工作中研究电导率、电子的热导率和热扩散系数的方法相同，所以得到的数据有相同的合理性。因此，我们就可以推断得到的云闪放电通道的热导率和热扩散系数的数据是可靠的。另外，云闪21:23:44的各参数都大于云闪21:11:50和21:14:49中各参数的值，主要原因是：结合原通道来看，云闪21:11:50和21:14:49的主通道只有一个，比较直且分叉比较少，而云闪21:23:44是一个双通道的闪击，由于两个通道彼此的影响和二级谱的干扰，并且分叉比较多。
最后，以云闪21:11:50为例，研究了通道不同位置处各参数与温度的关系。
电子密度、电导率、电子的热导率、电子的热扩散系数与温度在通道不同位置的变化关系，结合闪电放电原始通道，从曲线图可以看出：首先，沿着通道的发展方向，各特性参数(温度、电子密度、电导率、电子的热导率和热扩散系数)表现出没有明显规律的变化，但总体上均有稍微减小的趋势。原因主要为：云闪放电通道在空间发展方向上具有很大的随机性，并且分支比较多;放电通道从云底开始沿着空间发展，使得传输的电流和能量逐渐减小，通道逐渐降温，通道中的部分粒子复合使得离子数密度减小，同时电导率、电子的热导率和热扩散系数也随之减小。其次，在曲线图中，各参数在每一个拐弯附近呈现出这样的特点，即拐弯之前上升，经过拐弯之后又随之下降;在分叉处(本工作只选了一个，因为其他几个分支点附近扫描不到用相对强度表示的扫描图)附近，各参数也呈现出与拐弯附近类似的趋势，即分叉前突然增大，分叉之后又逐渐下降。出现这种变化趋势的原因可以解释为：在通道拐弯处箍缩效应明显加剧，使得局部温度变大，同时使得该处的电流密度变大，进而影响电导率等参数呈现出与温度一样的变化趋势;在分叉处附近也可以解释为类似的原因。最后，从四幅曲线图也可以看出，电子密度、电导率、热导率和热扩散系数沿通道的变化趋势与温度沿通道的变化规律基本一模一样。
本工作所得到的云闪放电通道电子密度是用光谱法研究云闪放电通道特性必须的最基本参数之一，几乎其它所有特性参数以及闪电放电的光谱结构和物理特性都依赖于通道温度和电子密度;在此基础上，将空气等离子体的输运理论应用于云闪放电通道特性的研究，进一步获得了云闪放电通道的电导率、电子的热导率以及热扩散系数，其中，电导率是计算通道电流和能量的必要参量，而热导率和热扩散系数是计算能量、研究闪电产生氮氧化物不可或缺的特性参数。
5、结论
本文利用在西藏地区用无狭缝摄谱仪获得的云闪放电光谱，结合Saha方程得到了三次云闪放电通道的电子密度;在此基础上，将空气等离子体的输运理论应用于云闪放电通道，计算了通道的电导率、热导率和热扩散系数。提供了西藏地区三次云闪放电通道部分特性参数;并发现云闪21:23:44的各参数均大于云闪21:11:50和21:14:49的参数，主要是云闪21:23:44与其他两次闪击的通道结构不同所致。其次，沿着放电通道的发展方向各参数总体呈略微减小的趋势，并且，各参数在通道每一个拐弯和分叉附近都呈现出类似的变化规律。
这些都将为进一步研究云闪放电通道的电流、能量及产生氮氧化物奠定基础，并为探讨通道物理化学特性及微观物理机制提供重要信息。
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