Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике 5.5. СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОЛНИИ ПОСЛЕ 1960 Г.5.5.1. ВведениеДо 1960 г. все полученные спектры молнии были интегральными по крайней мере за время одной вспышки. В 1961 г. Саланейв [42] сообщил о получении первых спектров от одного импульса. Чтобы разделить спектры отдельных импульсов, составляющих вспышку, Саланейв для регистрации спектров использовал вращающийся барабан с пленкой (рис. 5.3). Разрешение во времени составляло порядка миллисекунд. За лето 1961 и 1962 гг. Саланейв и его сотрудники получили с помощью бесщелевого спектрографа около 200 спектров вспышек молний в интервале длин волн от 3850 до 6900 А. Саланейв и др. [46] привели типичные спектры и идентификацию этих спектров. Они отметили, что между спектрами отдельных импульсов во вспышке не наблюдается существенной разницы, за исключением случая, когда за отдельными импульсами следовал период непрерывной светимости. Были обнаружены спектральные линии, прйнадлежащие ионизированному аргону. Не было найдено линий, которые можно с достоверностью отнести к двукратно ионизированным атомам. Молекулярные полосы, приписанные Волас [59] опубликовал наилучшие из имеющихся сейчас спектры молнии в интервале длин волн от 3100 до 9600 А, полученные с помощью щелевого спектрографа. Некоторые из них приведены на рис. 5.2 и в табл. 5.1. Волас дал также длины волн 35 полос поглощения в спектрах, большинство из которых, но не все, принадлежат, вероятно, парам воды. Были найдены спектральные полосы Относительно мало внимания было уделено ультрафиолетовому спектру молнии. Спектры в ультрафиолетовой области с помощью щелевого спектрографа получили Дюфей Дюфей [6] измерил степень уменьшения интенсивности при прохождении через область края поглощения шириной 40 А и, предполагая, что все поглощение было вызвано озоном, рассчитал, что толщина ослабляющего слоя озона на пути между щелевым спектрографом и рядом вспышек, которые привели к появлению спектра, составляет 0,3 см. (Здесь количество озона выражено толщиной эквивалентного слоя чистого газа при стандартных температуре и давлении.) Орвил [35] использовал спектр Саланейва, на котором видна полоса Хартли, а не полоса Хэггинса, чтобы определить количество озона между бесщелевым спектрографом и одиночной вспышкой, находившейся на расстоянии 0,85 км от спектрографа. Было найдено, что количество озона составляет от 0,01 до 0,05 см, причем это количество на порядок больше, чем в чистом воздухе. Орвил предположил, что Дюфей получил большую величину из-за большего расстояния от спектрографа до наблюдаемой вспышки. Этот аргумент предполагает относительно равномерное распределение озона вдоль пути между наблюдателем и разрядом. Этот озон, по-видимому, создается в результате процессов коронирования у земли и в облаках. Возможно, однако, что вспышка молнии сама создает озон, который существует в виде мантии вокруг канала молнии. Орвил наметил дальнейшие эксперименты, чтобы определить, какой из предложенных процессов генерации озона ответствен за появление наблюдаемых спектров поглощения. Инфракрасные спектры молнии были получены при помощи щелевого спектрографа Джозе [20], Петри и Смол ом [39], Наклесом и Свенсоном [22] и Воласом [59, 60]. Саланейв [45] первым получил инфракрасный спектр молнии при помощи бесщелевого спектрографа. Репродукция одного из инфракрасных спектров Саланейва приведена на рис. 5.4. Спектры молнии, полученные различными исследователями, имеют заметные различия. В большинстве случаев эти различия состоят в интенсивности молекулярных полос. На спектрах, которые с помощью щелевых спектрографов получили Израэль и Вурм [19]. Дюфей [6] и Волас [58, 59], четко различаются молекулярные характеристики, в то время как на спектрах, полученных при помощи бесщелевого спектрографа Саланейвом и др. [42, 43, 46], только изредка появляются следы молекулярных полос. В статьях [29, 44] сравниваются спектры, полученные щелевыми и бесщелевыми спектрографами. Обычно выдвигают два объяснения тому факту, что спектры молнии, полученные при помощи щелевых спектрографов, относились, по-видимому, к разрядам с более низкой энергией, чем разряды, регистрировавшиеся бесщелевыми спектрографами. 1) Это случайный факт, он является результатом влияния географического положения и изменений в отдельных грозах. 2) На результаты исследований влияет метод наблюдений в том смысле, что щелевой спектрограф обычно регистрирует суммарную по времени светимость от разрядов на землю, разрядов в облаках, межимпульсных процессов в облаке и между облаком и землей, в то время как бесщелевой спектрограф обычно регистрирует только спектр единственного канала разряда облако — земля. Последней точки зрения придерживаются Майнел и Саланейв [20], которые изучали полосы спектрографом, являются следствием действия источников излучения, находящихся на некотором расстоянии от видимого канала молнии, возможно, разрядов внутри облака. Случайное появление полос испускания Желательность разрешения во времени спектральных характеристик импульсов молнии очевидна. Первую попытку получить разрешенный во времени спектр импульса предприняли Израэль и Фриз [17], которые сконструировали сканирующий спектрометр с временем разрешения 20 мкс. Данных, полученных с помощью этого спектрометра, опубликовано не было, хотя спектры и были зарегистрированы. Кридер [23, 24] первым привел разрешенные во времени спектры испускания от отдельных возвратных ударов. Для измерения временных изменений интенсивности нескольких спектральных линий и непрерывного излучения в интервале длин волн от 3700 до 3900 А Кридер использовал интерференционные фильтры с узкой полосой пропускания и фотоэлектрические детекторы. К сожалению, фотоэлектрическая система Кридера имела тот недостаток, что вырезала узкий участок канала молнии, и, следовательно, изменение освещенности из-за распространения возвратного удара затемняло истинное изменение интенсивности света во времени [25]. Кридер [23, 24] показал, однако, что первыми достигают максимума интенсивности" линии излучения абсолютно черного тела или электрон-ионного тормозного излучения при постоянной температуре. Используя калиброванный фотокатод, Кридер и др. [25, 26] провели оценку абсолютной спектральной мощности излучения молнии в интервале длин волн от Орвил [33, 34] первым сообщил о спектроскопическом исследовании молниевых импульсов с хорошим пространственным и временным разрешением. Затем Орвил [36] опубликовал дополнительные результаты спектроскопических исследований с разрешением во времени. Принципиальная схема спектрографа Орвила приведена на рис. 5.5. Типичные разрешенные во времени спектры возвратного удара приведены на рис. 5.6а и 5.66. Спектры Орвила характеризуют излучение участка канала длиной примерно 10 м. Разрешение во времени менялось от 2 до 5 мкс и по длинам волн около 10 А. Обычно время достижения максимальной интенсивности как для линий интенсивными в течение Орвил [36] привел спектры от одной вспышки, состоявшей по крайней мере из пяти импульсов. Пять зарегистрированных спектров могут быть сгруппированы в два основных класса. В одном классе излучение В разд. 5.5.2 рассматривается применение теории, представленной в разд. 5.3, к спектральным данным Саланейва, Орвил а и других исследователей, для определения температуры, концентрации частиц и давления в возвратном ударе. 5.5.2. Свойства возвратного удараСвойства возвратного удара определяли Волас [58] и Живлюк и Мандельштам [62] из интегрированных по вспышкам спектров, из интегрированных по импульсам спектров Саланейва и др. и из разрешенных во времени спектров импульсов Орвила. Сначала рассмотрим анализ данных Саланейва. Первый этап анализа спектра заключается в определении непрозрачности. На рис. 5.8 показаны измеренные профили линий мультиплета компонентов которого образуется при переходе приблизительно с одинакового верхнего энергетического уровня и имеет примерно одинаковую длину волны. Из (5.6) и (5.10) следует, что для оптически тонкого изотермического канала отношение интенсивностей различных линий, составляющих мультиплет, зависит только от отношений
Рис. 5.8. Относительная интенсивность линий мультиплета Юман и Орвил [54] теоретически показали, что даже В табл. 5.2 дается сравнение между измеренными отношениями интенсивностей в двух молниевых мультиплетах Таблица 5.2 (см. скан) Величины отношений интенсивностей линий в двух молниевых мультиплетах большую часть времени, в течение которого эти мультиплеты экспонируются на пленке. Исходя из рассчитанных коэффициентов поглощения для Поскольку канал молнии оптически тонок для интересующих нас линий температура возвратного удара постоянна во времени и в поперечном сечении канала. Поскольку это не так, то рассчитанная температура будет представлять некоторую среднюю величину. Прюэйт Хотя нельзя определить ошибку, которая порождается предположением, что свойства канала однородны по его радиусу, все же можно оценить ошибку, которая возникает потому, что температура возвратного удара предполагается постоянной во времени. Юман [51] проинтегрировал уравнение (5.6) с помощью ЭВМ для двух мультиплетов После определения температуры возвратного удара для оценки электронной концентрации, давления, степени ионизации и других свойств канала можно применить методику, использующую уравнения Саха. Юман и др. [55, 56] проанализировали три возвратных удара, температура которых, как установил Прюэйт, была около Если известны температура и концентрации частиц в канале молнии, то можно рассчитать электронную проводимость канала. Юман [52] оценил проводимость канала для импульсов молнии, анализированных Юманом и др. [55], в фазы разряда молнии должна быть между Электронная концентрация была определена исходя из проинтегрированных по времени спектров при сравнении штарковских профилей На с теорией [53]. На рис. 5.9 показан пример такого сравнения.
Рис. 5.9. Сравнение измеренного и рассчитанных профилей линии Но в импульсе молнии Для трех возвратных ударов были найдены электронные концентрации в интервале от Таким образом, электронная концентрация, определенная из штарковского уширения (кликните для просмотра скана)
Рис. 5.10в. Температура канала импульса в зависимости; от времени для вспышки В. Спектр был слабым, поэтому можно было получить только 3 точки для каждой кривой [33, 36] характеризовать канал возвратного удара при атмосферном давлении и температуре выше 13 000 К. Значение электронной концентрации, найденное из интегрированного по времени спектра молнии с использованием штарковского уширения На, значительно более надежно, чем определенное из уравнения Саха. Некоторые данные об электронной концентрации, полученной из разрешенных во времени спектров, приведены ниже в этом разделе. Волас [58] и Живлюк и Мандельштам [62] провели измерения по интегрированным по времени спектрам, полученным при помощи щелевых спектрометров. Волас, как упоминалось в разд. 5.4, исходя из интенсивностей в полосах Рассмотрим результаты анализа разрешенных во времени спектров Орвила. Орвил [33, 36] определил температуру в зависимости от времени для десятиметровых вертикальных участков 10 каналов молнии. Для двух импульсов температура измерялась с разрешением 2 мкс, для остальных восьми — с разрешением 5 мкс. Изменение температуры молнии в зависимости от времени приведено на рис. 5.10а-5.10в. Орвил нашел, что типичные пиковые температуры заключены в интервале Средние температуры, которые Орвил получил таким расчетом, приведены на рис. 5.10а — 5.10в. Они находятся в хорошем согласии с данными Прюэйта. Орвил подтвердил расчеты Юмана [51], что пиковая температура молнии на 10% выше средней температуры, если обе температуры определяются из отношения интенсивностей На рис. 5.11 а и 5.11 б (см. также рис. 5.66) приведены некоторые микрофотометрические кривые спектра молнии в зависимости от времени для области На. Орвил [36] получил зависимость концентрации электронов от времени, которая представлена на рис. 5.12. Эта зависимость могла быть получена только для одного из импульсов. Как видно из рисунка, в первые 5 мкс разряда концентрация электронов имеет порядок
Рис. 5.11а. Микрофотометрические кривые в области линии На для интервалов времени от Ошибка в определении концентрации электронов порядка 50%. Поскольку эффективная инструментальная ширина щели прибора была около 10 А, определение концентрации электронов ниже нейтральных атомов водорода. Высокая электронная концентрация через эффект Штарка вызывает уширение профиля линии
Рис. 5.116. Микрофотометрические кривые в области линии На для интервалов времени от 20 до 40 мкс [36]. Линия с уширенным профилем сливается с непрерывным фоном и затемняется близлежащими линиями. Найденная Орвилом концентрация электронов находится в соответствии с проведенными ранее определениями на основе интегрированных по времени спектров. Из анализа уравнения Саха Юман и др. [55, 56] нашли, что верхний предел концентрации электронов для пиковой температуры в
Рис. 5.12. Концентрация электронов в зависимости от времени, рассчитанная из штарковского уширения линии На Поскольку максимум интенсивности На имеет место, когда профиль соответствует концентрации электронов около Интересно отметить, что изменение температуры и концентрации электронов, найденное для молнии, аналогично изменению температуры и концентрации электронов в пятиметровой воздушной искре, которую исследовали Орвил и др. [38]. Концентрация электронов в первые 2 мкс искрового разряда была Если известно изменение температуры и электронной концентрации в канале молнии во времени и если в канале существует ЛТР как функция времени, то можно рассчитать многие характеристики канала (давление, степень ионизации, изменение концентрации частиц) в зависимости от времени. Для известной температуры и электронной концентрации эти расчеты могут быть непосредственно выполнены совместным решением системы уравнений Саха, сохранения заряда и баланса масс. Особенно важно изменение во времени давления в канале и степени ионизации. Для температуры около ЛИТЕРАТУРА(см. скан) (см. скан) (см. скан) (см. скан)
|
1 |
Оглавление
|