直接测量雷击产生大气痕量成分的系统及方法

1.本发明涉及大气痕量气体测量技术领域，尤其涉及一种在强雷暴期间，强闪电放电过程所产生的高温、高压大气环境条件下，其放电通道周边大气气溶胶发生一系列的化学反应，针对大气气溶胶痕量气体的浓度进行定量测量的系统及方法。


背景技术：

2.研究表明，在闪电放电产生的高温、高压条件下，会导致其闪电通道周边的大气成分，比如氮气和氧气发生化学反应产生氮氧化物。氮氧化物是大气化学中一种十分重要的痕量气体，一方面影响臭氧的形成，另一方面与其他离子氧化生成的硝酸及与二氧化硫等一起形成酸雨，影响着对流层的化学结构和气候环境。全球现有的氮氧化物来源主要可以分为人为排放和自然排放；人为排放源主要为化石燃料的燃烧、汽车尾气排放、生物物质燃烧以及飞机尾气排放等；而自然排放源主要是闪电放电过程产生以及土壤微生物分解等。
3.近年来研究表明，闪电产生的氮氧化物虽然只占全球的10％～20％，但其在对流层上层却起到了决定性的作用。对流层中20％的氮氧化物来自地面的向上输送，而50％以上来自闪电的贡献，特别在热带和亚热带地区，对流层顶70％以上的氮氧化物均来自闪电。该区域内氮氧化物的生命史要远高于近地面，控制着对流层o3和oh自由基的含量，影响着全球大气环境和气候变化。
4.近年来，随着人们逐渐意识到闪电对全球氮氧化物循环的重要性，估算闪电产生的氮氧化物逐渐成为当前大气化学及雷电科学领域内的研究热点之一。关于氮氧化物的浓度测量，早期学者主要利用理论建模、实验室模拟及卫星平台遥测等研究手段对氮氧化物的特性进行分析和估算，由于各个学者所选用的参数和方法各异，计算结果差异较大。也有学者利用配备了测量大气痕量气体设备的飞机进行穿云试验，近距离观测雷暴云中及附近区域的氮氧化物浓度变化，再通过外推来估算全球的闪电产生的氮氧化物产量，但是由于穿云观测试验的实施面临诸多困难，比如技术难度较大、代价高昂、成功率低以及危险性大等，且雷暴由于地区的不同存在一定的特异性，使得不同雷暴闪电产生的氮氧化物计算的结果存在一定的差异。
5.综上所述，目前对大气痕量气体的测量，尤其是与闪电有关的氮氧化物定量测量仍亟需进一步加强。因此，本发明基于人工引雷技术，发展了一种近距离定量测量雷击产生大气痕量成分的系统及方法。为深入研究闪电放电与大气痕量气体的关系提供一种新的技术手段和研究方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种立足于近地面雷击发生后大气成分的近距离测量、具有实验可控、地点可控、操作性强以及易评估等诸多优点。由于依托目前成熟的人工引雷技术，为近距离定量测量雷击产生大气痕量成分提供了先决条件，测量方案具有很大的灵活性和可重复性。
7.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.本发明的一种直接测量雷击产生大气痕量成分的系统，该系统分为雷电流测量系统和大气痕量成分测量系统；
9.所述雷电流测量系统包括：
10.屏蔽房，所述屏蔽房内具有电流测量设备和位于所述屏蔽房上端的引流杆；以及
11.引雷弹，所述引雷弹通过钢丝与所述屏蔽房上端的引流杆连接；
12.所述屏蔽房内的电流测量设备用以对闪电电流进行定量测量，并将测量结果通过光纤传输至控制室内的示波器进行雷电流记录；
13.所述大气痕量成分测量系统包括：
14.工作室；以及
15.位于工作室内的分析仪器组；
16.进入工作室内的样品气体通过分管器分别输送至所述分析仪器组内的各个分析仪器进行不同气体的测量。
17.进一步的，所述分析仪器组包括：
18.一氧化碳分析仪、二氧化硫分析仪、氮氧化物分析仪和臭氧分析仪；
19.所述一氧化碳分析仪用以测量输送至其内的样品气体的一氧化碳浓度；
20.所述二氧化硫分析仪用以测量输送至其内的样品气体的二氧化硫浓度；
21.所述氮氧化物分析仪用以测量输送至其内的样品气体的氮氧化物浓度；
22.所述臭氧分析仪用以测量输送至其内的样品气体的臭氧浓度。
23.进一步的，一氧化碳分析仪测量样品气体中一氧化碳浓度的系统按照工艺流程包括：
24.气体渗透干燥组件，所述气体渗透干燥组件接收样品气体、并对样品气体进行渗透干燥处理；
25.位于所述气体渗透干燥组件工艺下游的气体过滤器和干涉滤波器；
26.经过二次过滤的样品气体通过窄带通干扰滤波器注入红外辐射，并进入红外探测器，所述红外探测器将探测信号强度输出到记录和处理设备；
27.经过所述一氧化碳分析仪处理后的样品气体通过电泵抽出。
28.进一步的，所述二氧化硫分析仪测量样品气体中二氧化硫浓度的系统按照工艺流程包括：
29.碳氢化合物过滤器，样品气体通过所述碳氢化合物过滤器去除样品中的碳氢化合物分子；
30.位于所述碳氢化合物过滤器工艺下游端的光电室，样品气体通过光电室内的紫外光源激发使二氧化硫成为激发态分子，此激发态分子返回基态时发出特定波长的荧光，该荧光经过带通滤波器后进入光电倍增管，利用光电倍增管将微弱的光信号转换成电信号，然后将电信号输入测量设备进行分析处理；
31.经过所述二氧化硫分析仪测量后的样品气体通过流量控制室和压缩后经过所述碳氢化合物过滤器利用电泵抽出。
32.进一步的，所述氮氧化物分析仪测量样品气体中氮氧化物浓度的系统按照工艺流程包括：
33.用以压缩样品气体的压缩管，所述压缩管的输出端安装有电磁阀；
34.与所述压缩管通过电磁阀连通的no反应室和no
x
反应室，所述样品气体通过所述电磁阀进入所述no反应室或no
x
反应室；
35.位于所述no反应室和no
x
反应室工艺下游的流量控制室以及反应室；
36.与所述反应室连接的气体过滤器、以及位于所述气体过滤器工艺下游端的测量设备；
37.用以抽出气体的电泵经过臭氧变换器与反应室连通。
38.进一步的，所述臭氧分析仪测量样品气体中臭氧浓度的系统按照工艺流程包括：
39.臭氧发生器、样品室以及参考空气室；
40.所述样品室和所述参考空气室内气体均利用紫外光源照射，并分别经过工艺下游的探测器，然后进入光电室，经过所述光电室测量后输出信号；
41.所述样品室和所述参考空气室均通过不同路径的流量控制室和压缩后利用电泵抽出。
42.本发明公开了一种直接测量雷击产生大气痕量成分的方法，该方法基于如上所述的系统，该方法主要包括以下步骤：
43.s1、在强对流天气条件下，当大气电场达到一定的阈值，通过实施人工作业发射引雷弹，诱发雷暴云产生对地放电，闪电通道沿着钢丝击中引流杆，闪电电流击中引流杆并泄放到地的瞬间，利用屏蔽房内的电流测量设备对闪电电流进行定量测量，随后将测量结果通过光纤传输至控制室，利用示波器进行闪电电流的记录；
44.s2、大气痕量成分测量系统位于闪电通道附近，当雷击击中固定目标物瞬间，闪电通道周围产生高温、高压，会使其周边大气成分发生不同的化学反应，使大气痕量成分浓度较之前的状态发生变化，然后利用相关设备将浓度发生变化后的样品气体输送至气体分析室内；
45.s3、输送至气体分析室内的样品气体通过分管器传输至一氧化碳分析仪内进行一氧化碳浓度的测量；
46.s4、输送至气体分析室内的样品气体通过分管器传输至二氧化硫分析仪内进行二氧化硫浓度的测量；
47.s5、输送至气体分析室内的样品气体通过分管器传输至氮氧化物分析仪内进行氮氧化物浓度的测量；
48.s6、输送至气体分析室内的样品气体通过分管器传输至臭氧分析仪内进行臭氧浓度的测量。
49.进一步的，所述步骤s3中，所述一氧化碳分析仪测量样品气体的一氧化碳浓度的步骤包括：
50.s301、样品气体通过气体渗透干燥组件进行渗透干燥处理；
51.s302、经过渗透干燥处理的气体通过气体过滤器进行二次过滤；
52.s303、通过窄带通干扰滤波器注入红外辐射，在干涉滤波器中红外辐射部分被样品气体吸收；
53.s304、红外信号进入红外探测器中，并将信号输出；
54.s305、利用电泵将样品气体抽出以完成一氧化碳浓度的测量。
55.进一步的，所述步骤s4中，所述二氧化硫分析仪测量样品气体的二氧化硫浓度的步骤包括：
56.s401、样品气体经过碳氢化合物过滤器去除样品中的碳氢化合物分子；
57.s402、进入光电室，利用紫外光源激发二氧化硫使其变成激发态分子，此激发态分子返回基态时发出特定波长的荧光，然后利用选择性反射镜反射该特定波长的荧光；
58.s403、特定波长的荧光经过带通滤波器后进入光电倍增管，利用光电倍增管探测到的微弱光信号转换成电信号，然后将电信号输入至测量设备进行分析处理；
59.s404、进入光电室的样品通过流量控制室，再进行压缩和碳氢化合物过滤器，利用电泵抽出。
60.进一步的，所述步骤s5中，所述氮氧化物分析仪测量样品气体的氮氧化物浓度的步骤包括：
61.s501、样品气体经过压缩管的压缩后进入系统；
62.s502、利用电磁阀选择性地让样品气体流经no反应室或no
x
反应室；
63.s503、随后进入流量控制室，并利用流量传感器测量样品的流量；
64.s504、进入反应室，在反应室里利用外部连通的管道输入臭氧，no或no
x
和臭氧在反应室内发生化学反应；
65.s505、反应后的气体再经气体过滤器，进入到测量设备进行定量测量；
66.s506、另外部分反应后的气体从反应室排出后经过臭氧变换器，在里面发生化学反应，最后利用电泵抽出系统。
67.进一步的，所述步骤s6中，所述臭氧分析仪测量样品气体的臭氧浓度的步骤包括：
68.s601、首先注入零级空气，利用分管器分成两股气流，其中一股气流流经臭氧发生器，再和另外一路臭氧合并汇集到样品室内；
69.s602、分别利用光源照射样品气体和参考空气，再分别经过探测器进入光电室进行测量，并将测量结果以信号的形式输出至记录设备；
70.s603、最后从样品室和参考空气室分别经过流量控制和压缩，并利用电泵抽出系统。
71.在上述技术方案中，本发明提供的一种直接测量雷击产生大气痕量成分的系统及方法，具有以下有益效果：
72.本发明的系统和方法立足于近地面雷击发生后大气成分的近距离测量，在闪电通道附近布设针对不同大气痕量成分的专用测量设备，在强对流过境期间，利用拖带钢丝的引雷弹，有目的地将闪电引到固定的引流杆，随着闪电通道周围产生的瞬间高温、高压，其周围的大气成分会伴随发生一序列的化学反应，利用搭建好的大气痕量成分测量和分析平台定量测量各痕量气体的浓度变化。该系统和方法具有实验可控、地点可控、操作性强以及易评估等优点。
附图说明
73.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其它的附图。
74.图1为本发明实施例提供的一种直接测量雷击产生大气痕量成分的系统的系统组成示意图；
75.图2为本发明实施例提供的一种直接测量雷击产生大气痕量成分的系统的一氧化碳浓度测量原理示意图；
76.图3为本发明实施例提供的一种直接测量雷击产生大气痕量成分的系统的二氧化硫浓度测量原理示意图；
77.图4为本发明实施例提供的一种直接测量雷击产生大气痕量成分的系统的氮氧化物浓度测量原理示意图；
78.图5为本发明实施例提供的一种直接测量雷击产生大气痕量成分的系统的臭氧浓度测量原理示意图。
79.附图标记说明：
80.10、雷电流测量系统；20、大气痕量成分测量系统；
81.11、引雷弹；12、钢丝；13、屏蔽房；14、引流杆；15、电流测量设备；16、示波器；17、光纤；18、雷暴云；19、闪电；
82.21、工作室；22、分管器；23、一氧化碳分析仪；24、二氧化硫分析仪；25、氮氧化物分析仪；26、臭氧分析仪；27、样品气体；
83.3、电泵；4、测量设备；5、光电室；6、光源；7、流量控制室；8、压缩；
84.231、气体渗透干燥组件；232、气体过滤器；233、干涉滤波器；234、红外探测器；
85.241、碳氢化合物过滤器；242、带通滤波器；243、光电倍增管；
86.251、压缩管；252、no反应室；253、no
x
反应室；254、反应室；255、气体过滤器；256、臭氧变换器；
87.261、零级空气；262、臭氧发生器；263、样品室；264、参考空气室；265、探测器。
具体实施方式
88.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
89.参见图1～图5所示；
90.本实施例的一种直接测量雷击产生大气痕量成分的系统，该系统分为雷电流测量系统10和大气痕量成分测量系统20；
91.雷电流测量系统10包括：
92.屏蔽房13，屏蔽房13内具有电流测量设备15和位于屏蔽房13上端的引流杆14；以及
93.引雷弹11，引雷弹11通过钢丝12与屏蔽房13上端的引流杆14连接；
94.屏蔽房13内的电流测量设备15用以对闪电19电流进行定量测量，并将测量结果通过光纤17传输至控制室内的示波器16进行雷电流记录；
95.大气痕量成分测量系统20包括：
96.工作室21；以及
97.位于工作室21内的分析仪组；
98.进入工作室21内的样品气体通过分管器22分别输送至分析仪组内的各个分析仪
进行不同气体的测量。
99.首先，本实施例公开了一种系统，其分为雷电流测量系统10和大气痕量成分测量系统20；雷电流测量系统10通过带有钢丝12的引雷弹11将雷暴云18内闪电19引到屏蔽房13的引流杆14上，引流杆14与屏蔽房13内的电流测量设备15连接以对雷电流进行测量，并传输至距离约100米外的控制室内，然后利用示波器16进行雷电流的记录。在本实施例的实施过程中，除了定量测量雷电流，尤其重要的是，利用近距离闪电通道附近的大气痕量成分测量设备(即通过本实施例的大气痕量成分测量系统20)对周围的大气成分进行定量测量。
100.优选的，本实施例的分析仪组包括：
101.一氧化碳分析仪23、二氧化硫分析仪24、氮氧化物分析仪25和臭氧分析仪26；
102.一氧化碳分析仪23用以测量输送至其内的样品气体27的一氧化碳浓度；
103.二氧化硫分析仪24用以测量输送至其内的样品气体27的二氧化硫浓度；
104.氮氧化物分析仪25用以测量输送至其内的样品气体27的氮氧化物浓度；
105.臭氧分析仪26用以测量输送至其内的样品气体27的臭氧浓度。
106.本实施例的系统的一氧化碳分析仪23测量样品气体27中一氧化碳浓度的系统按照工艺流程包括：
107.气体渗透干燥组件231，气体渗透干燥组件231接收样品气体27、并对样品气体27进行渗透干燥处理；
108.位于气体渗透干燥组件231工艺下游的气体过滤器232和干涉滤波器233；
109.经过二次过滤的样品气体27通过窄带通干涉滤波器233注入红外辐射，并进入红外探测器234，红外探测器234将探测的信号输出到相关记录设备；
110.经过一氧化碳分析仪23处理后的样品气体27通过电泵3抽出。
111.本实施例的系统的二氧化硫分析仪24测量样品气体27中二氧化硫浓度的系统按照工艺流程包括：
112.碳氢化合物过滤器241，样品气体27通过碳氢化合物过滤器241去除样品中的碳氢化合物分子；
113.位于碳氢化合物过滤器241工艺下游端的光电室5，样品气体27通过光电室5内的紫外光源激发二氧化硫分子使其变成激发态分子，此激发态分子返回基态时发出特定波长的荧光、特定波长的荧光经过带通滤波器242后进入光电倍增管243，光电倍增管243将检测到的弱光信号转换成电信号，然后输入至测量设备4进行分析处理；
114.经过二氧化硫分析仪24测量后的样品气体27通过流量控制室7和压缩8后经过碳氢化合物过滤器241利用电泵3抽出。
115.本实施例的系统的氮氧化物分析仪25测量样品气体27中氮氧化物浓度的系统按照工艺流程包括：
116.用以压缩样品气体27的压缩管251，压缩管251的输出端安装有电磁阀；
117.与压缩管251通过电磁阀连通的no反应室252和no
x
反应室253，样品气体27通过电磁阀进入no反应室252或no
x
反应室253；
118.位于no反应室252和no
x
反应室253工艺下游的流量控制室7以及反应室254；
119.与反应室254连接的气体过滤器255、以及位于气体过滤器255工艺下游端的测量设备；
120.用以抽出气体的电泵3经过臭氧变换器256与反应室254连通。
121.本实施例的系统的臭氧分析仪26测量样品气体27中臭氧浓度的系统按照工艺流程包括：
122.臭氧发生器262、样品室263以及参考空气室264；
123.样品室263和参考空气室264内气体均利用光源照射，并分别经过工艺下游的探测器265进去光电室5，经过光电室5测量后输出信号；
124.样品室263和参考空气室264均通过流量控制室7和压缩后利用电泵3抽出。
125.本发明公开了一种直接测量雷击产生大气痕量成分的方法，该方法基于如上所述的系统，该方法主要包括以下步骤：
126.s1、在强对流天气条件下，当大气电场达到一定的阈值，通过实施人工作业发射引雷弹11，诱发雷暴云18产生对地放电，闪电19通道沿着钢丝12击中引流杆14，闪电19电流集中引流杆14并泄放到地的瞬间，利用屏蔽房13内的电流测量设备15对闪电19电流进行定量测量，随后将测量结果通过光纤17传输至距离约100米的控制室，利用示波器16进行雷电流的记录；
127.s2、大气痕量成分测量系统20位于闪电通道附近，当雷击击中固定目标物瞬间，闪电通道周围产生高温、高压，会使其周边大气成分发生化学反应，然后将样品气体27输送至工作室21内；
128.s3、输送至工作室21内的样品气体27通过分管器22传输至一氧化碳分析仪23内进行一氧化碳浓度的测量；
129.s4、输送至工作室21内的样品气体27通过分管器22传输至二氧化硫分析仪24内进行二氧化硫浓度的测量；
130.s5、输送至工作室21内的样品气体27通过分管器22传输至氮氧化物分析仪25内进行氮氧化物浓度的测量；
131.s6、输送至工作室21内的样品气体27通过分管器22传输至臭氧分析仪26内进行臭氧浓度的测量。
132.其中，具体的是：步骤s3中，一氧化碳分析仪23测量样品气体27的一氧化碳浓度的步骤包括：
133.s301、样品气体27通过气体渗透干燥组件231进行渗透干燥处理，通过气体渗透干燥组件231可以过滤掉气体中多余的水汽成分；
134.s302、经过渗透干燥处理的气体通过气体过滤器232进行二次过滤，利用气体过滤器232可以过滤掉其他气体杂质，保证样品里面一氧化碳的纯净性；
135.s303、通过窄带通干扰滤波器233注入红外辐射，在干涉滤波器233中红外辐射部分被样品气体吸收；
136.s304、红外信号进入红外探测器234中，并将信号输出；
137.s305、利用电泵3将样品气体27抽出以完成一氧化碳浓度的测量。
138.其中，具体的是：步骤s4中，二氧化硫分析仪24测量样品气体27的二氧化硫浓度的步骤包括：
139.s401、样品气体27经过碳氢化合物过滤器241去除样品中的碳氢化合物分子；
140.s402、进入光电室5，利用紫外光源激发二氧化硫使其变成激发态分子，此激发态
分子返回基态时发出特定波长的荧光，然后利用选择性反射镜反射该特定波长的荧光；
141.s403、特定波长的荧光经过带通滤波器242后进入光电倍增管243，利用光电倍增管243将微弱的光信号转换成电信号，并将该电信号输入到测量设备4进行分析处理；
142.s404、进入光电室5的样品通过流量控制室7，再进行压缩8和碳氢化合物过滤器241，利用电泵3抽出。
143.其中，具体的是：步骤s5中，氮氧化物分析仪25测量样品气体27的氮氧化物浓度的步骤包括：
144.s501、样品气体27经过压缩管251的压缩后进入系统；
145.s502、利用电磁阀选择性地让样品气体27流经no反应室252或no
x
反应室253；
146.s503、随后进入流量控制室7，并利用流量传感器测量样品的流量；
147.s504、进入反应室254，在反应室254里利用外部连通的管道通入臭氧，no或no
x
和臭氧在反应室254内发生化学反应，利用光学设备进行探测化学反应产生的发生；
148.s505、样品气体27从反应室254排出后经过臭氧变换器256，利用电泵3抽出系统。
149.本实施例以一氧化氮为例做进一步的解释和说明，电磁阀选择性地允许样品气体27流经一氧化氮反应室23，随后，样品气体27进入流量控制室，在流量控制室7内利用流量传感器测量样品的流量，在反应室254内，从另外一个管道通入臭氧，一氧化氮和臭氧在反应室254内发生化学反应而生成二氧化氮分子，利用光学设备进行探测化学反应产生的发光，最后，样品从反应室254出来后，再经过臭氧变换器256，使二氧化氮和臭氧发生化学反应生成没有害的气体，最后利用电泵3抽出系统即可。
150.其中，具体的是：步骤s6中，臭氧分析仪26测量样品气体27的臭氧浓度的步骤包括：
151.s601、注入零级空气261，利用分管器分成两股气流，其中一股气流流经臭氧发生器262，在汇集到样品室263内，样品气体27通过外量的管道进入样品室263内，两者合成总的初始样品输入；
152.s602、分别利用光源照射样品气体和参考空气，在分别经过探测器265进入光电室5进行测量，并从光电室5输出信号信息；
153.s603、最后从样品室263和参考空气室264分别经过流量控制和压缩，并利用电泵3抽出系统。
154.在上述技术方案中，本发明提供的一种直接测量雷击产生大气痕量成分的系统及方法，具有以下有益效果：
155.本发明的系统和方法立足于近地面雷击发生后大气成分的近距离测量，在闪电通道附近布设针对不同大气成分的专用测量设备，在强对流过境期间，利用拖带钢丝12的引雷弹11，有目的地将闪电19引到固定的引流杆，随着闪电通道周围产生的瞬间高温、高压，其周围的大气成分会伴随发生一序列的化学反应，利用搭建好的大气痕量成分测量工作室21定量测量各项气体浓度。该系统和方法具有实验可控、地点可控、操作性强、相对成本低以及易评估等诸多优点。
156.以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明
权利要求保护范围的限制。