触发闪电光谱：第一部分，一篇定性分析研究文章外文翻译资料

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触发闪电光谱：第一部分，一篇定性分析研究文章

T.Daniel Walker and Hugh J.Christian

Earth System Science Center, University of Alabama in Huntsville, Huntsville, Alabama, USA

摘要：在2012年和2013年的夏天，佛罗里达州坎普布兰丁国际闪电研究和测试中心，首次获得了触发闪电的高速光谱。光谱记录是用一个高速相机，把光栅安装在它的前面。所观测到的触发闪电通道一般位于包括铜线在内的低空区域。记录得到光谱的各个阶段:初始阶段、箭式先导、回击和持续电流。这些光谱被分成两个主要区域:近紫外可见光(3800-6200Aring;)和近红外可见光(6200-8700Aring;)。初始阶段主要反映的是发射的铜丝在空中的燃烧。在初始阶段之后是第一次回击，该回击不包含检测到的分子排放；但包含中性的单电离、双电离氮和氧，中性氩和中性氢。有时候，在回击前，从通道下行的箭式先导会紧随其后，与先导光谱的回击相似，但较暗，寿命较短。在最初的回击的部分，随着持续电流的变化往往会有光谱亮度的变化。在这些“再照明阶段”，没有观察到单电离或双电离的光谱重新出现在检测阈值以上，只有中性发射特征。

关键词：首次触发闪电的光谱；第一次观察到双电离闪电谱线；触发闪电1.5微秒分辨出的紫外到近红外光谱

1.介绍

本文给出了具有高时间分辨率和光谱分辨率的触发闪电的首次分辨光谱。以下是通过观察触发闪电过程的不同部分的光谱而获得的定性见解:初始阶段、箭式梯级先导、箭式先导、回击和持续电流。随后的论文将定量描述不同的过程。

触发闪电中的回击与自然闪电通道中的后续回击相似。在初始回程中，不是自然的梯级先导产生原始回击，而是通过将一枚带有牵引铜线的火箭来触发闪电通道。上行正先导（UPL）从这条铜线的顶端向云传播。上行正先导通过蒸发了的铜线将电荷送至地下。通常，经过几十毫秒后，闪电通道转换为初始持续电流（ICC）阶段，触发闪电的第一个放电阶段，包括上行正先导和初始持续电流，称为初始阶段（IS）。该通道的下部是由100-300米的燃烧的铜线形成的导电通道。这个过程中的电流相对较低(数百安培)，持续时间为数百毫秒。初始阶段产生一个导电通道，为后续的箭式先导提供路径。跟随箭式先导的是回击，偶尔会有持续时间较长的电流。触发的闪电由一个或多个箭式先导/回击序列组成。一个回击通常持续几毫秒，在随后的每个回击之间间隔几十毫秒。即使有多个回击，这个过程通常也在不到一秒的时间内完成[Rakov and Uman, 2003]。

从19世纪中期就开始研究闪电光谱学了。在天文学家进行观测期间，他们很不幸，或者说也很幸运，遇到了坏天气。由于闪电通道是一个线源，它有一个完美的替代观测目标。然而，由于闪电通道的寿命较短，只能对光谱进行直观的概括。闪击分辨光谱首次实现是在20世纪60年代，当时的旋转滚筒摄影技术被纳入光谱仪。正是在这个时期，闪电光谱学发生了许多进步。闪电光谱学最早的著名出版物之一是《科学》杂志上的一篇文章，该文章概述了到1961年为止的闪电光谱研究[Salanave, 1961]。在20世纪60年代和70年代初为进一步开展闪电光谱学研究，在科学方法和摄影领域取得了重大的进展。其中一些进展彻底改变了该领域，包括但不限于，温度分布线，确定通道不透明度，发射识别，以及使用线宽来确定数字密度[Prueitt, 1963; Uman, 1964a, 1964b; Uman et al., 1964, 1965; Orville, 1966; Krider, 1965; Orville, 1968a, 1968b, 1968c; Orville and Salanave, 1970; Orville, 1975]。

自这个时代以来，技术进步到一定程度，十分有必要重新审视闪电及其光谱。采用电荷耦合器件和互补金属氧化物半导体(CMOS)相机代替胶片，提高了时间分辨率和分析速度，同时降低了记录的介质的可变性。最近的研究是利用高速摄像机来观察闪电梯级先导、回击内多个闪击的温度以及基于温度的气体动力学模型的通道半径[Warner et al., 2011; Qu et al., 2011; Wang et al., 2014]。这些研究的曝光时间规模是在100mu;s或更长。新的光谱仪系统也很小巧便携。由于触发闪电具有半预测特性，高时空分辨率的光谱仅受现有技术的限制。

2.材料和方法

本研究使用的相机是高速分析移动相机v710。V710是一个互补金属氧化物半导体相机，由一个20微米像素的1280times;800阵列组成。v710是一款12位动态范围的单色相机,为了提高光谱的帧率，牺牲其垂直信息。使用50毫米镜头，将相机的分辨率降低到1040times;8，垂直视野降低到0.64米。从距发射塔300米的观测拖车上观测到的所有闪光触发的部分闪电通道的高度约为50米，远低于自然通道。该装置用于国际闪电研究与测试中心(ICLRT)的所有触发闪电。这个0.7到1.47mu;s之间的曝光时间达到673k帧每秒的帧率(fps)。图的说明中列出了每组光谱的帧间隔和曝光时间。

分光计系统的基本设计比较简单，没有运动部件。由于闪电通道是垂直定向的线发射器，因此不需要物理狭缝就可以得到光谱分辨的光源。每个像素大约代表0.08米。只要闪电通道的发光部分小于8cm，就应解决光源问题。这比报道的2-4cm和1-1.5cm的回击通道直径大[Orville et al., 1974; Idone, 1992]。过去精细的光学设计已被淘汰,使用单一透镜和棱镜:组合衍射光栅和棱镜。棱镜安装在透镜前面，并将一阶光谱的光从衍射光栅重新定向，使其直接穿过器件。凯泽光学公司委托研制了一套全息体积相位(VPH)光栅。VPH颗粒是由一种二色凝胶和一种干涉图样组合而成的，干涉图样产生了交替折射率。这种转化后的凝胶被封装在两个棱镜之间，这两个棱镜的设计目的是将光的路径重新定向到相机。VPH光栅高度是可定制的(高达6000行每毫米)以及工作环境稳定。与物理蚀刻光栅边缘的影响相比，使用VPH光栅，散射和重影被最小化[Barden et al.， 1998,2000]。虽然使用了三种不同光谱范围和分辨率的光栅，但这里提供的数据是使用VPH-VIS系统获得的。这种格栅是专为可见光设计的，衍射光栅有1257行/mm，亮度为5200Aring;。VPH-VIS系统的直接光谱范围为3700-6300Aring;。然而,通过将摄像机收集光20˚角进行重定，也可记录从6300Aring;到8900Aring;的光谱范围。当与50mm镜头配对时，视野的光谱间距为130Aring;/mm，或约2.6Aring;/像素。

3.数据表示

在2012年和2013年的夏季,记录到18次触发闪电，包括87次单独的回击和两个初始阶段。其中一些回击被选为光谱数据的代表。闪电光谱的演变需要多个数据集的演示，以充分反映光谱的广谱和时间范围。触发闪电光谱由大气中氮(N)、氧(O)和氩(Ar)的原子发射、分离的水蒸气中的氢(H)和底部几百米处的用于触发的铜(Cu)组成。

图 1 2013年6月14日VPH-VIS光谱仪作为闪电光谱来源时触发的闪电回程光谱图。光谱用主要的电离线标示。此示例频谱与在回程开始时电流的峰值。这个光谱坐标系是在1.5mu;s和曝光时间的间隔0.7mu;s。

不仅可以观察到这些元素的中性排放，而且还观察到氧和氮的单双电离线，因为闪电通道的温度可以达到30000K以上 [Orville, 1968b]，标记原子排放的标准惯例是使用元素符号，后面跟着电离状态，例如中性氮(NI)、单电离氮(NII)和双电离氮(NIII)。在美国佛罗里达大学国际雷电研究与测试中心被触发的闪电事件给出了具体的名称，将在讨论中出现在括号里。这将有助于调查美国佛罗里达大学国际雷电研究与测试中心获得的补充当时已有的数据。本文讨论的三个主要实验分别是2011年7月7日(UF 11–15)、2012年6月24日(UF 12–16)和2013年8月1日(UF 13–27)。应该注意的是，UF 12-16选择的有一个闪击为3 kA。这低于通常发生的十多次的雷击触发电流的平均值。这是第一次记录双电离线，没有数值超过仪器的阈值。这些光谱仍然是在这些地区所见光谱的主要例子。UF 13-27实验是长波记录中的唯一事件。在这次实验中电流的上升时间为5mu;s,比典型上升时间的电流更长。为了展示长时间的光谱，这个区域是必要的。与类似的数据相比，这些光谱似乎是比以前观测到的更典型的光谱。

在解释不同的光谱区域及其时间演化方面是十分谨慎的，在回击的峰值电流，通道是非常热的，因为包含双电离、单电离和中性辐射。在3700Aring;至6300Aring;区域，主要由双电离线和单电离线组成。这些单双电离线的辐射通常只持续几十微秒。其他谱线出现在这个地区的频谱是H?，H?，中性铜的谱线。后几条谱线最初低于检测阈值，或者被该区域的非常强的单电离谱所掩盖。一旦电离线下降到检测阈值，中性铜，H?的谱线就非常接近检测阈值。另外，光谱范围从6300Aring;到8900Aring;主要由中性氧、氮、氩以及氢和H?的谱线组成。在这一区域只有两条单根电离线，它们位于H?谱线。该地区未检测到散射的铜。只要有足够的电流流入通道，中性辐射就可以被检测到，并且由于持续电流的增加，中性辐射会被观测到超过9毫秒。由于这些演化模式，较短的波长区域主要集中在前几十微秒，较长的波长区域主要集中在前几十微秒到几毫秒。较短波长区域的数据按从左到右、从上到下的顺序用每个1.47 mu;s时间帧的单独光谱图表示。较长波长区域以两种不同方式呈现:较短时间周期的堆叠光谱图和较长时间周期的假条纹图像。

首先，在图1和图2给出了两个示例光谱，其中主要的谱线来自两个区域。图1是较短波长区域。该地区的主要特征包括NII离子激发的4447Aring;、4630 Aring;、5005 Aring;、5180 Aring;、5680 Aring;和5942 Aring;的谱线。这些是持续时间最长的单电离辐射，也是进化过程中需要遵循的线路，尤其是5005 Aring;的谱线，因为它是最强的。这些谱线中的许多虽然是由一个波长指定的，但实际上是由分光计无法分辨的多个波长组成的。

图 2 2013年8月1日VPH-VIS光谱仪为闪电光谱的来源的触发闪电回击的光谱图像。光谱用中性线标示。该示例频谱为回击开始后电流峰值后4.5mu;s，显示该区域的中性线和单电离线。该光谱帧的拍摄间隔为1.5 mu;s，曝光时间为1.1 mu;s

该分光计可以确定一些紧密排列的发射线，其他则不能。国家标准和技术研究所(NIST)数据库用于确定应该出现但是却没被解析的谱线，这样做不是为了识别谱线，而是为了在进行定量测量时使用这些多条谱线。许多未标记的次要谱线要么是单电离氮，要么是氧。图2是波长较长的区域，对于呈现的短观测期间内，6482 Aring;和6610 Aring;的单电离线特别值得注意。在长波记录中，6563Aring;(H?)、7147Aring;(OI)、7442Aring;(NI)和7774Aring;(OI)是最强的谱线，很好地描绘了中性线的演化。特别是最强的线，7774Aring;三联体，被用于太空的闪电观测[Christian et al., 1989]。可以在作者的论文和NIST网站(https://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html)上找到观察到的和假定的谱线的完整列表(https://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html) [Walker, 2015]。

3.1初始阶段

触发闪电序列中的初始阶段就是触发闪电的首次发光。这个过程包括从触发线顶部上行正先导 (UPL)和初始连续电流(ICC)。在这个过程进行到大约10毫秒，当通道接地时，连接到火箭上的铜线汽化。在此期间，从触发线顶部以下的光谱观察证实，这几乎等同于铜线的燃烧。

图 3 铜线发射900mu;s后，初始阶段3850-6300Aring;的光谱。该光谱帧的拍摄间隔为1.5 mu;s，曝光时间为1.0mu;s。

在图3中900mu;s后初始阶段的光谱。图片只显示较低波长区域，因为在较长波长区域没有明显的铜信号。如果将这些光谱与来自该区域的样本光谱进行比较，如图1所示，回击光谱和初始阶段光谱有明显的重叠，特别是在4100 Aring;、4600 Aring;和5100 Aring;区域。因此，当在初始阶段之后的回击中出现铜的放射时，会对信道的预期自然频谱产生一定的影响。然而，正如将要证明的那样，这种影响是很小的。此外，在初始阶段的光谱中，除了偶尔非常微弱的氢信号外，没有大气原子发射。这些放射物是由于铜线的汽化造成的。初始阶段可以持续数百毫秒。

图 4 2011年7月7日的第10次回击触发箭式梯级先导序列，回击开始9.0-13.5mu;s箭式梯级先导的峰值电流的光谱。每个光谱代表1.5mu;s帧间隔和1.0mu;s的曝光时间。(a)当先导进入视场(FOV)时的光谱(13.5-12.0mu;s)，(b)当先导通过视场(12.0-10.5mu;s)时，单电离线在梯级先导光谱中占主导地位，(c)先导前沿通过后通道冷却(10.5-9.0mu;s)，和(d)在箭式梯级先导发生后，通道持续发射Halpha;(minus;9.0minus;7.5mu;s)，因为它在回击之前，没有与此图像关联的电流。

在此期间，铜线的亮度随着电流的变化而波动。最终，铜的放射量下降到阈值以下，导致第一次回击。初始阶段的演化及其特性将在另一篇论文中讨论，并强调与自然通道的差异。

3.2箭式先导和箭式梯级先导

在回击之前是先导，它通过传导路径将通道重新连接到地面。通常，这些要么是箭式先导，要么是混乱的箭式先导，要么是箭式梯级先导[Hill et al., 2012]。在图4和图5中产生的分别是短波段和长波段的箭状梯级先导的示例光谱。图4是2011年7月7日(UF 11–15)的数据，记录到的第一个先导光谱是当它穿过视野的时候。在这个初始先导光谱之后，先导

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