闪电近红外光谱不透明度的首次实验验证

王雪娟

随着对闪电放电过程物理特性研究的深入，光谱诊断雷电等离子体的探测已成为测量雷电物理特性的重要工具。然而，通过闪电等离子体的光谱分析来测量闪电放电的物理参数，就需要知道对于某一特定波长闪电通道的光学厚度。根据等离子体对光吸收和散射的大小，可将等离子体分为光学厚和光学薄等离子体。所谓的“光学薄”，就是认为辐射产生的光子在等离子体中传播时不会被吸收，能够全部发射出去。对于光学厚的等离子体，等离子体本身的自吸效应会对辐射出的谱线强度造成影响。然而，以往的闪电光谱拍摄系统光谱分辨率不足和观测条件的限制，试验所获得闪电光谱在红外波段具有共同上能级的多条谱线通常都处于无法分辨的谱线包络中。迄今为止，实验上关于闪电红外波段光谱中性原子线不透明度的验证还很少。

近期我司王雪娟教师等利用广州高建筑物雷电观测站(TOLOG)获得的600米高广州塔上的闪电光谱资料，首次对闪电在近红外波段光辐射是否满足光学薄条件进行了验证。由于自然云地闪电发生的时空随机性和观测条件以及环境的限制，以往观测到的自然云地闪电光谱都无法很好地区分氮原子NI [742.4, 744.2, 746.8 nm]和 NI [818.8, 821.6, 824.2 nm]这两个多重态。基于高建筑物闪电放电观测平台，他们获取了分辨出多重态NI [742.4, 744.2, 746.8 nm]和 NI [818.8, 821.6, 824.2 nm]的高波长分辨率的光谱资料（如图1所示）。实际测量谱线强度比与理论计算的能级的统计权重与爱因斯坦跃迁几率的积（值）之比的误差在合理范围内，且这些谱线的测量强度比变化稳定。这表明闪电通道的近红外辐射光谱中NI线满足光学薄条件，所有测量到的闪电通道内发生的中性辐射在等离子体中传播时不会被等离子体本身吸收，或者说自吸可以忽略（如图2所示）。在此基础上，通过对高建筑物闪电放电过程的光谱演化特征的分析发现回击后的320至400μs内可见光波段的单电离的离子线仍可以明显观察到；并且回击后的240至320µs内具有较高上激发能的离子线和具有较低上激发能的中性原子线共存（见图2a）。这说明在闪电通道径向方向有一个辐射离子线的高温区域和一个辐射中性原子线的相对低温区域。

图1 (a)回击通道高度约66 m处的三维时间分辨光谱，图中x、y、z轴分别代表波长、时间和谱线相对强度。(b)回击放电通道约66 m处的二维时间演化光谱图。(c-d) b中多重态NI [742.4, 744.2, 746.8 nm]和 NI [818.8, 821.6, 824.2 nm]的局部放大图

图2 NI [742.4, 744.2, 746.8 nm] 和 NI [818.8, 821.6, 824.2 nm]多重态测量谱线强度比和理论计算gA值之比

该研究为之后闪电辐射光谱的定量分析提供重要的实验证明，也为研究闪电微观物理过程提供参考依据。该工作近期发表在Geophysical Research Letters上。

论文信息：

Wang, X., Wang, H., Lyu, W., Chen, L., Ma, Y., Qi, Q., et al. (2022). First experimental verification of opacity for the lightning near-infrared spectrum. Geophysical Research Letters, 49, e2022GL098883. https://doi.org/10.1029/2022GL098883