不同气压下负流光特征的数值模拟

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闪电在雷暴云中是如何启动的仍然是雷电研究领域有待解决的问题。负流光在闪电启动中起着重要的作用,对不同气压下负流光的研究有助于理解雷暴云中不同高度的闪电启动过程。然而现有的对不同气压下负流光的研究相对较少。为此,本文使用模拟方法研究了变化气压下负流光的特性,试图对云闪和地闪是如何在不同高度启动的提出一些见解。本文使用柱对称的二维模式对平面平行极板间氮气中的负流光进行了模拟。模式中使用电子和正离子的连续方程描述流光的运动,并耦合泊松方程来求解空间电荷产生的电场。使用了通量校正传输算法(FCT)来精确求解连续方程以及动态网格细化算法来提高计算的效率。使用该模式研究了标准气压下初始电荷条件和背景电场对流光特征的影响,以及变化气压下的流光。模拟结果显示,流光经过初始阶段的调整后以一种稳态传播,而稳态的特征是由气压和背景电场共同决定的背景电离频率决定。背景电离频率越大流光的发展速度越快并有更大的电流。初始电荷条件同样影响着流光的特征,横截面上的总电荷浓度越大,流光更快的进入稳态过程并且传播的更快。气压和背景电场通过背景电离频率来影响流光的特征:背景电场不变时,随着气压降低背景电离频率增加,流光发展速度变快并有更大的电流,说明流光更容易在较低气压下启动;而气压相同时,背景电场增大则背景电离频率增大而流光发展速度变快,流光发展速度变快并有更大的电流,流光更容易在背景电场大的区域启动。我们的结果显示在雷暴云中负流光在低气压(更高的高度)下比高气压时更容易发生,而观测数据同样显示发生在更高位置的云闪比发生位置更低的地闪多。
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