雷雨云的物理机制和闪电物理学与闪电放电雷云外文翻译资料

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外文文献翻译：

C3（2002）1375–1392物理.

应用物理/应用物理

雷雨云的物理机制和闪电物理学与闪电放电雷云

闪电先导的观察与建模

作者：Philippe Lalande , Anne Bondiou-Clergerie , G. Bacchiega , I. Gallimberti ONERA, 29, av. de la division Leclerc, 92332 Chacirc;tillon, France I.R.S. Srl, via Vigonovese 81, 35127 Padova, Italy

Guy Laval 的笔记

大气闪电的发展是由电离通道出现在原始空气中的“先导”阶段发起的。使用快速摄像机，测量先导与自然或人为地触发闪电的场与放电相关的电流允许值。可以借助于先导数值模型来分析相应的物理过程，前提是考虑到由强电流循环导致闪电引导热化的非线性效应。本文介绍了两极对触发闪电领导者的自相干模拟。此外，这些模型使得可以定义“稳定场”概念，即最小环境场，使先导从地面结构的稳定进展，表示为该结构的高度和曲率函数。这个概念可以通过触发的雷电测试来验证。最后，通过基于传播平衡的静电方法的简化分析模型来完成稳定场分析。引用本文：P.Lalande等人，C.R.Physique 3（2002）1375-1392。copy;2002科学与科学学院Elsevier SAS闪电/建模/放电/电弧。

1、介绍

闪电先导得建模对需要预测发生飞机或接地结构的雷击的物理阈值是有必要的。本文中描述的模型的目的是提供数值工具来模拟导电物体中闪电先导的形成和发展。 为此，我们已经对理论中闪电研究的基本机制进行了调查，为此已经阐述了自相干的模型，并在此篇文章中进行了描述^[1-6]。本文的第2节对人工闪电的正负先导自然引发的闪电主要特点进行了比较。事实证明，人工闪电和自然雷电的先导之间的主要区别在于作为外部环境场的功能，先导稳定传播的条件：这似乎与驱动通道电导率的非线性等离子体过程有关。在此基础上，为人工闪电模拟开发的自相干模型已经适用于火箭引发的雷击。最后，基于模型结果，我们提出了长时间放电稳定传播的一般概念;这个简单的概念是分析性的，结论讨论了其实际应用。

2、人工闪电和闪电先导之间的比较

2.1 人工先导的主要特点是火花和闪电

LesRenardiegrave;res集团详细研究了人工闪电放电的各种波形的冲击电压的平面间隙^[1-3]。根据这些调查结果，ONERA和帕多瓦大学制定了一致的正负先导模式^[4,5]。这些模型已经在实验室实验中得到充分验证。为了延长闪电先导使用这些模型，已经开始调查起始和传播过程人工触发和闪电先导之间的差异。

理论中的正放电在100-200 kV·m-1电场范围内发展。这种放电由具有不同导电性的两个区域组成^[6]：电晕前，其发生在电离过程的高电阻率区域内，以及引导通道导电等离子体通过，电晕前部从该沟道形成。先导通道的电位梯度为100 kV·m-1级。 在先导传播期间，两个区域强耦合。先导从高电压电极连续传播到地，速度从10⁴ m·s^-1到3times;10⁴ m·s^-1。流入电极的电流是几安培的几乎连续的电流。 然而，对于电压的缓慢变化的脉冲前沿（对于10m间隙，通常高于500mu;s），与尖锐通道重新点亮相关联的不连续出现的引线中^[1,2,7]。当电晕前端到达地面时，电弧发生形成完全导通的间隙^[7]。

Berger^[8]在圣萨尔瓦多山上拍摄了环境电场的高塔的为10-50 kV·m^-1几个向上的闪电先导的发展。图1（a）示出了先导传播几乎是连续的（即没有阶梯），但是它表现出间隔大约25mu;s的明亮尖峰的不连续发光。 图中的两个先导 1（b）来自两个不同的塔; 他们传播速度范围为2times;10⁴ m·s^-1〜3times;10⁵m·s^-1（图1（b））。 在地面测量的电流几乎是连续的，并且随着时间的推移从几十到数百安培增加。

实验室的负先导在200-300 kV·m-1范围内的环境电场中发展，几乎是正先导的两倍。负先导的传播在空间和时间上都是不连续的，有几个明亮的阶梯与几百安培的电流脉冲相关，并以10到20mu;s之间的时间间隔隔开^[6]。弱发光的复合结构在这些步骤之间发展。每个步骤中的引导物的伸长率通常为1mu;m，并且以平均速度为10⁵ m·s^-1〜5times;10⁵ m·s^-1发生。

图1.（a）条纹相机图像发展两个积极的闪电先导从两个不同的高塔传播^[8];

（b）同一先导的照片。

Berger^[8]在高度结构的顶部在大于40 kV·m-1的环境场（图2）中拍摄了一个闪电向上的负先导。它的传播与实验室观察到的相似，由几米的明亮阶梯组成; 其平均速度在10⁵m·s^-1〜10⁶ m·s^-1的范围内。 阶梯之间的时间间隔约为30mu;s。 雷电通过飞机触发时负极先导的电流测量显示，每个步骤相关的峰值电流约为1 kA^[9]。

2.2、火箭引发闪电先导的特点

通过在雷云产生的环境电场E0（所谓的经典触发技术）中引出接地线可以获得人工触发从云到地的闪击^[10,11]。 这样的闪击是由火箭尖端引发的向上的先导发起的; 在大多数情况下，由于云电荷的极性，这是一个向上的先导。先导特点是通过测量电线底部的电流和连续模式下的快速摄像决定的。这些测量表明，人工触发的正先导表现出与天然的相同的不连续传播。 此外，从现有迹线的分析可以看出，在火箭上升期间，先导起始过程在连续的演变。在低空的火箭中，只有向下的先导发展; 测量显示持续5至20ms的一个或几个脉冲的隔离组（图3），然后完全停止放电。每组中连续脉冲之间的间隔约为20至30mu;s。

图2.从高塔引发一个向上的负先导。（a）负先导发展的条纹相机形象; （b）条纹相机图像的一部分; （c）同一闪电先导的照片^[8]。

图3（a） - （c）和（d）组由一（a），（b）或几（c），（d）经典火箭 - 触发闪电组成的振荡电流脉冲。

由于火箭头上方的电场不足，每组电流脉冲可归因于先导的尝试发展，并在几米之后消散。由放电本身注入的空间电荷减少了火箭头上方的局部电场，并阻止了先导的进一步发展。 几毫秒之后，在火箭通过空间几米之后，对所得场的效果降低，随后的先导能够开始。

在较高的高度，观察到“稳定”前传播的开始。图4示出了逐渐衰减的具有叠加脉冲的不断增长的连续电流，大约0.1ms。 连续分量可能在几十毫秒后达到200A。 我们认为，与导线电阻相比，引线电流的脉冲逐渐过滤，因为延长引导通道的电阻相对较高。 稳定的前导传播的关键线长度取决于雷云以下的环境电场。

在所谓的“高度触发”雷电（传统技术的变体）中，火箭首先将50米的接地线缠绕，然后再用400米的绝缘凯夫拉线（图5），最后，导线的第二部分被卷绕，双向先导变得足够长时从这条浮线的四肢开始^[12]。一个积极的先导从火箭顶部开始，向云端传播。几毫秒后，向下的负面领导者从触发线的底端开始，向地面传播。整个过程包括同时传播两个相反极性的先导，被称为“双先导”或“双向先导”。 当向下的负先导接近地面时，向上连接的正先导从接地线的上端开始，然后与其连接伴随后面的电弧。

从地面上的摄像和电场测量已经推断出正先导和负先导的主要特征^[13]。正如预期的那样，向上先导与经典触发技术所产生的类似，其传播速度范围为10⁴〜10⁵m·s^-1。在发生稳定的负先导开始之前，通过电场变化观察到几个中止的下行负先导。负先导的传播速度为1〜2times;10⁵ m·s^-1，步进间隔为18〜20mu;s，步长为3〜5 m。电场测量表明，每一步转移约270mu;C的电荷。

图4.在地面上测量的经典火箭引发的雷电的向上的正先导的状况。

图5.闪电触发高度的照片（1989年夏），点A，B，C分界线的部分。

在底端的负先导的开始时刻观察到上方正先导的加速; 它表明两个先导之间是耦合的过程，最有可能通过浮线发生潜在变化。在理论双极型导体浮动导体发展的10m间隙中观察到类似的耦合效应^[14]。

火箭引导的先导传播模式与理论先导的传播模式相似。然而，闪电和理论的速度和电流之间的比例对于极性都是十分之一。此外，闪电先导在环境电场中的发展比理论先导低10倍。我们将在以下部分中显示，引线电流的差异导致通道（正常或热引导通道^[6]）的内部场差异很大，因此导致不同条件的可持续传播。

1. 闪电领导者的建模

3.1、先导通道的建模：内部电场的影响

3.1.1、先导传播的环境和内部场

我们考虑配置长度为Zs的接地垂直线，该均匀场E0形成高度Za（图6）。为了简化，我们将先导视为具有内部电场Eigt; E0的通道，并忽略其前面的电晕区域。可用维持传播的引导端的电位差为Delta;V（Za）。理论上，对于先导通道Ei的内部场通常高于100 kV·m^-1[6]。 雷暴地面周围环境E0通常在10〜50 kV·m^-1的范围内。当内部场Ei高于E0时，电位差Delta;V（Za）随高度Z而降低; 在高度Zf，达到零的地方，先导发展停止。因此，如果闪电引导器的内部电场Ei变得低于环境电场E0，则继续发展。

3.1.2、内部场与电流的演变

实验和理论分析表明，先导的特点主要取决于其电流和电荷。在理论条件下的电流相对较低，中性分子的电离由电子 - 中性碰撞决定^[6]; 在这种情况下，中性粒子的温度保持在4000-5000 K的范围内，远离局部热力学平衡（LTE）; 引导通道中的电场然后维持在相对较高的值（高于100kV·m-1）“正常”先导阶段^[6]。

图6.在环境电场E0低于内部电场Ei的情况下沿着放电传播轴的电位分布。

图7.（a）的不同值的前导内部场Ei的演变，（b）峰值脉冲电流，电流脉冲为5mu;s。

相反大电流阶段（最终击穿），将温度升高到高于5000-6000 K，得到局部热力学平衡; 电离由中性 - 中性碰撞，中性，离子和电子温度相等时，气体分子完全解离^[6]。

当“正常”先导通道转变为“热化”通道时，雷电领先者可以被认为处于转型阶段，类似于在理论最后的电弧之前放电期间发生的转换。在这种情况下，电离以热碰撞为主，气体温度达到足够大的值^[9]。

伴随文献中提出的模型^[6]可以将密度，温度，通道半径，压力和电场的时间演变计算为电流幅度的函数。如图7（a）所示，以0.2A的低连续电流叠加脉冲获得的结果;峰值电流（3，25，50，75和100 A）与阴性理论先导和闪电先导中测得的峰值电流一致的。计算机仿真表明，对于低于几十安培的电流脉冲，先导通道不热化，其内部场保持在100 kV·m^-1级。 另一方面，对于较大的电流脉冲（闪电先导或强的理论负先导），通道变热，内部场降低至1-10 kV·m^-1，即使冷却增加缓慢。因此，由于热化过程和低温内部场，闪电先导可以在低环境电场中发展。

3.2、先导传播建模的一般原则

这里提出的闪电先导的数值模拟是基于论文中描述的时间依赖模型相一致^[6]。输入的数据是初始场分布（由火箭和线扭曲的雷云电场）; 先导通过不同阶段沿着最大电场线顺序模拟

创造和发展。通过使用从经典的“充电模拟方法”^[15]得出的数值方法，考虑到先导通道和电晕空间电荷的组成部分，计算场和电位分布。放电的起始和传播参数（初始时间，电荷，电流，传播速度，电导率等）是针对放电的不同场得出的（图8），如局部电场分布的函数。附录A的流程图已给出单个先导模拟的主要步骤。

图8.先导场的代

1. 电晕头的电离和电子倍增过程
2. 引导通道：中等温度（1500〜5000K）导电等离子体通道（Eintasymp;1kV·cm-1）;电晕区域内产生的电流使先导前进，先导前进保持电场电晕前端。
3. 部分热化前导通道（Tgt; 5000 K）：电导率增加; Eintasymp;10〜100 V·cm^-1。
4. 先导传播后由电晕头残留物制成的空间电荷封。

3.3、先行先导

上述先行先导的成立和发展的模拟自相干模型已被应用于不同高度的“古典”火箭引发闪电中的。本段报告的结果已经计算

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