人工生成闪电熔岩的系统

1.本实用新型涉及交叉学科技术领域，尤其涉及一种雷电物理中利用人工引雷技术及闪电放电产生高温、高压使硅质沙堆受热熔融生成中空管状闪电熔岩的方法。


背景技术：

2.闪电熔岩是全球极其稀有的一种特殊天然物质，它的形成需要同时具备多种苛刻的化学条件、气象条件以及地质条件等，尤其与地球表面的沙质成分、土壤湿度、降雨强度和雨量以及闪电放电的电流强度大小等诸多因素有关。关于闪电熔岩的形成机理目前比较认可的说法是：强雷暴期间，由于闪电频发，当部分地闪偶然打到沙漠、海滩或者矿区等地表硅质物质含量较高的区域，地闪超长的放电通道瞬间产生的巨大能量，由于局部高温、高压，在能量泄到地表的过程中，使地下一定深度内以二氧化硅为主的多种矿物沿着电流通过的路径在极短时间内有序熔融、气化，形成中空管道，管道周围熔融部分吸附周边物质并受到强降雨的影响，迅速冷却，随即形成玻璃质管壁。
3.闪电熔岩属性的确定，对判断地质历史时期局部地区的古环境有重要意义。由于闪电熔岩特殊的生成环境，且闪电熔岩生成后便会长久保存在地层中，所以地层中的闪电熔岩是曾经雷击事件的记录，能客观印证当时该地区远古时期发生的雷暴天气状况。虽然目前关于闪电熔岩的研究极少，但有研究表明，闪电熔岩的特质为重构和重新认识区域性的古环境提供了很好的证据和重要的信息。比如，有学者认为，如今的撒哈拉沙漠极少出现雷雨天气，但是考古发现闪电熔岩在撒哈拉沙漠南部地区的大量出现，这从一个侧面表明在古气候环境中该区域曾经是雷暴天气频繁，并且降雨量大。另外，通过有关学者分析发现，撒哈拉沙漠中部地区晚更新世以来雷击石的时空分布和密度变化有明显的变化特征(该地区雷击石的密度具有由南向北减少的趋势)。这反映了该地区曾经出现暴雨发生的频率和强度由南向北减弱趋势。值得指出的是，闪电熔岩形成时会在管壁内部的腔隙中封存微量的古代大气。对这些气体进行分析能够获取当时该地区的远古环境信息，为进一步研究古大气的成分组成提供重要的线索。比如，对非洲利比亚沙漠中形成于1.5万年前的雷击石中包裹的古大气进行了分析，发现这些雷击石所在地表的碳/氮元素比值与现今沙漠中的半干旱区域相似，这些区域如今主要分布在北纬17
°
以南地区，而闪电熔岩则发现于北纬24
°
，这说明半干旱区域曾经至少扩展到北纬24
°
。
4.综上所述，闪电熔岩的形成需要多种物理、化学及大气等条件共同作用，而且它的生成多见于人迹罕至的沙漠、海滩等环境，形成过程非常偶然，不易被发现，辨识难度较大。目前发现的闪电熔岩一般出现在沙漠、海滩等硅质物质较多的地区，但是数量极其有限，长期以来几乎没有相关研究工作的报道。
5.因此，基于上述技术问题，为了研究闪电熔岩的形成机理，本领域的技术人员亟需研发一种利用人工引雷技术及闪电放电产生高温、高压使硅质沙堆受热熔融生成中空管状闪电熔岩的系统。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是提供一种依托人工引雷技术，在雷暴频发季节，利用相关的仪器设备和方法，有目的将闪电直接引到硅质沙堆里，利用闪电放电通道流经沙堆时，其瞬间产生的高温、高压条件，并结合强降雨使沙堆里的硅质成分形成闪电熔岩。同时，测量闪电熔岩的生成条件和环境，比如雷电流测量系统，大气环境测量系统(温度、压力以及湿度等气象参数，尤其是雨量和雨强)以及土壤温度、湿度变化的测量系统，为深入研究闪电熔岩提供一种重要的技术手段和方法。
7.为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
8.本实用新型的一种人工生成闪电熔岩的系统，该系统包括：
9.引雷弹，所述引雷弹发射至雷暴云底部，并通过该引雷弹诱发雷暴云对地放电；
10.与所述引雷弹通过钢丝连接的引流杆，所述引流杆分别与沙漠沙子层、海滩沙子层和矿区沙子层连接，并分别通过沙漠沙子层、海滩沙子层和矿区沙子层将雷电流泄放至地面；
11.与所述引流杆连接的电流信号采集系统；以及
12.用以采集环境数据的环境数据采集系统；
13.所述环境数据采集系统分别采集沙漠沙子层、海滩沙子层和矿区沙子层的土壤数据并传输至数据采集模块，由所述数据采集模块传输至电脑；
14.所述环境数据采集系统实时采集环境数据并传输至数据采集模块，再由所述数据采集模块传输至电脑。
15.进一步的，所述电流信号采集系统包括：
16.分别与沙漠沙子层、海滩沙子层和矿区沙子层处的所述引流杆连接的同轴分流器；
17.与所述同轴分流器连接的发射光端机，所述发射光端机和所述同轴分流器位于金属屏蔽盒内；
18.通过光纤与所述发射光端机连接的接收光端机；以及
19.示波器；
20.所述示波器的输入端与所述接收光端机的输出端连接并记录传输来的电流信号。
21.进一步的，所述环境数据采集系统包括：
22.所述数据采集模块；以及
23.分别位于沙漠沙子层、海滩沙子层和矿区沙子层内的土壤数据采集系统，该土壤数据采集系统包括与所述数据采集模块连接的土壤温度传感器和土壤水分传感器；
24.所述土壤温度传感器通过数据线与所述数据采集模块连接以向所述数据采集模块传输对应沙子层的土壤温度数据信号；
25.所述土壤水分传感器通过数据线与所述数据采集模块连接以向所述数据采集模块传输对应沙子层的土壤水分数据信号；
26.所述数据采集模块将接收到的土壤温度数据信号和土壤湿度数据信号传输至电脑。
27.进一步的，所述环境数据采集系统还包括：
28.固定支架；
29.安装于所述固定支架的雨量传感器、风速传感器、风向传感器和百叶箱；
30.所述风速传感器、风向传感器和雨量传感器均与所述数据采集模块连接；
31.所述百叶箱内置有温度传感器、湿度传感器和压力传感器，所述温度传感器、湿度传感器和压力传感器均与所述数据采集模块连接。
32.在上述技术方案中，本实用新型提供的一种人工生成闪电熔岩的系统，具有以下有益效果：
33.本实用新型的系统将闪电引导至不同类型的硅质沙堆中，利用闪电放电产生的巨大能量释放在不同类型的沙堆中，生成不同的闪电熔岩。该系统填补国内关于闪电熔岩研究领域的空白，对于全球的气候变化研究以及考古研究具有不可估量的价值。
34.本实用新型的系统立足人工引发闪电实验平台，通过设计针对性的实验方法，为人工生成闪电熔岩提供有利条件。同时，深入研究人工生成闪电熔岩的生成环境和形成机理。另外，亦可结合目前发展的闪电熔岩进行对比分析，探讨全球气候环境的变迁以及古气候环境的特点。
附图说明
35.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实用新型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他的附图。
36.图1为本实用新型实施例公开的一种人工生成闪电熔岩的系统的系统流程图；
37.图2为本实用新型实施例公开的一种人工生成闪电熔岩的系统的方法原理图；
38.图3为本实用新型实施例公开的一种人工生成闪电熔岩的系统的闪电熔岩三维立体成像分析流程示意图；
39.图4为本实用新型实施例公开的一种人工生成闪电熔岩的系统的闪电熔岩化学成分分析流程示意图；
40.图5为本实用新型实施例公开的一种人工生成闪电熔岩的系统的闪电熔岩化学成分分析中x射线探测原理示意图。
41.附图标记说明：
42.1、引雷弹；2、钢丝；3、引流杆；4、沙漠沙子层；5、海滩沙子层；6、矿区沙子层；7、金属屏蔽盒；8、同轴分流器；9、发射光端机；10、光纤；11、接收光端机；12、示波器；13、土壤温度传感器；14、土壤水分传感器；15、雨量传感器；16、风速传感器；17、风向传感器；18、百叶箱；19、数据采集模块；20、固定支架；21、电脑；22、入射电子束；23、闪电熔岩样品；24、分光器；25、探测器；26、前置放大电路；27、次级放大电路；28、多通道信号分析仪；29、记录仪；30、荧光屏；31、输出设备。
具体实施方式
43.为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细介绍。
44.参见图1～图5所示；
45.本实施例的一种人工生成闪电熔岩的系统，该系统包括：
46.引雷弹1，引雷弹1发射至雷暴云底部，并通过该引雷弹诱发雷暴云对地放电；
47.与引雷弹1通过钢丝2连接的引流杆3，引流杆3分别与沙漠沙子层4、海滩沙子层5和矿区沙子层6连接，并分别通过沙漠沙子层4、海滩沙子层5和矿区沙子层6将雷电流泄放至地面；
48.与引流杆3连接的电流信号采集系统；以及
49.用以采集环境数据的环境数据采集系统；
50.环境数据采集系统分别采集沙漠沙子层4、海滩沙子层5和矿区沙子层6的土壤数据并传输至数据采集模块19，由数据采集模块19传输至电脑21；
51.环境数据采集系统还能够采集环境数据并传输至数据采集模块19，再由数据采集模块19传输至电脑21。
52.具体的，本实施例公开了一种人工生成闪电熔岩的系统，本实施例利用人工引雷的技术手段，将闪电引到上述沙漠沙子层4、海滩沙子层5和矿区沙子层6三个特定的位置，使闪电将其巨大的能量释放在预先放置好的不同类型的硅质沙堆里，以达到人工生成闪电熔岩的目的。本实施例的人工引雷是在强雷暴环境下，通过向雷暴云中发射引雷弹1，诱发雷暴云对地面特定点放电，在引雷弹1的尾部通过钢丝2与引流杆3连接，以将雷电引导至引流杆3、并最终引导至不同类型的硅质沙堆内。由于闪电放电通道瞬间产生的巨大能量，在能量泄到地表的过程中，在其放电的通道附近使以二氧化硅为主的多种矿物沿着电流通过的路径在极短时间内有序熔融、气化，管道周围熔融部分同时吸附周边物质并受到强降雨的迅速冷却，形成玻璃质管壁的中空管道，即生成所谓的闪电熔岩。
53.由于闪电熔岩的生成需要非常苛刻的外界条件，目前对闪电熔岩的发现非常罕见，对其相关的研究还处于空白阶段。
54.本实施例的系统还设计了能够采集环境数据的环境数据信号采集系统。
55.优选的，本实施例的电流信号采集系统包括：
56.分别与沙漠沙子层4、海滩沙子层5和矿区沙子层6处的引流杆3连接的同轴分流器8；
57.与同轴分流器8连接的发射光端机9，发射光端机9和同轴分流器8位于金属屏蔽盒7内；
58.通过光纤10与发射光端机9连接的接收光端机11；以及
59.示波器12；
60.示波器12的输入端与接收光端机11的输出端连接并记录传输来的电流信号。
61.为了获得闪电熔岩并测量雷电流的大小，首先是通过远程发射引雷弹1，使雷暴云产生对地放电，地闪通过钢丝2通道闪击到引流杆3，并通过引流杆3流过预先放置的不同类型硅质沙堆。当闪电电流流通所述引流杆3，并分别流经沙漠沙子、海滩沙子、矿区沙子，最后接地。流经这些不同类型硅质沙堆时测量其雷电流大小，其结果传输至与金属屏蔽盒7内的所述同轴分流器8连接，同轴分流器8将测量的闪电电流传输至发射光端机9，发射光端机9将雷电流的电信号转换成光信号，然后发射光端机9将光信号经光纤10传输至室内的接收光端机11，接收光端机11将雷电流光信号再转换成电信号，接收光端机11将雷电流的电信号传输至示波器，并完成雷电流的记录。
62.优选的，本实施例的环境数据采集系统包括：
63.数据采集模块19；以及
64.分别位于沙漠沙子层4、海滩沙子层5和矿区沙子层6内的土壤数据采集系统，该土壤数据采集系统包括与数据采集模块19连接的土壤温度传感器13和土壤水分传感器14；
65.土壤温度传感器13通过数据线与数据采集模块19连接以向数据采集模块19传输对应沙子层的土壤温度数据信号；
66.土壤水分传感器14通过数据线与数据采集模块19连接以向数据采集模块传输对应沙子层的土壤湿度数据信号；
67.数据采集模块19将接收到的土壤温度数据信号和土壤水分数据信号传输至电脑21。
68.其次，上述的环境数据采集系统还包括：
69.固定支架20；
70.安装于固定支架20的雨量传感器15、风速传感器16、风向传感器17和百叶箱18；
71.风速传感器16、风向传感器17和雨量传感器15均与数据采集模块19连接；
72.百叶箱18内置有温度传感器、湿度传感器和压力传感器，温度传感器、湿度传感器和压力传感器均与数据采集模块19连接。
73.为了得到人工生成闪电熔岩的土壤环境特征，首先将土壤温度传感器13、土壤水分传感器14分别插入对应的沙子层内，利用数据采集模块19分别采集不同类型硅质沙子的水分信息、温度信息。为了得到雷击瞬间的大气环境特征，同时利用数据采集模块19分别采集雨量传感器15测量的雨量信息，风速传感器16测量的风速信息，风向传感器17测量的风向信息以及内置于百叶箱18的温度传感器、湿度传感器以及压力传感器测量的温度、湿度和压力信息。通过数据采集模块19实时地将采集的大气环境参数信息传输至电脑21，并完成记录和分析。
74.参见图2所示，图2示出了人工生成闪电熔岩的方法原理框图，闪电熔岩生成过程中有两个非常重要的前提条件，分别为闪电放电产生的巨大能量伴随的高温高压和硅质沙堆能否快速冷却。因此，本实施例方法专门针对性的设计了测量方案，例如利用常规气象仪器实时测量硅质沙堆的水分和温度信息，大气环境的风速、风向、风力、大气压强、空气湿度、温度、降雨强度以及降雨量等常规气象参数。其次利用同轴分流器、示波器以及光端机等完成雷电流波形、雷电电场、磁场等的定量测量。
75.参见图3所示，在完成闪电熔岩的成型以后，利用ct扫描仪和三维立体成像技术分析闪电熔岩的内外部精细结果。将闪电熔岩样品放置于射线管及探测器之间，利用x射线对样品进行穿透。由于不同岩石组分的原子序数、密度及内部的厚度不同，导致射线穿过后的衰减程度具有明显的差异，应用探测仪器对闪电熔岩样品进行测量，然后将测量所获取的相关参数数据输入电脑，经过电脑程序的处理，便可形成闪电熔岩样品三维立体的图像。为了得到闪电熔岩样品清晰的图像信息，在完成整个样品的穿透和测量过程中，需要提前设置好射线的相关参数、探测仪器的校准和设置针对性的扫描参数。
76.参见图4所示，不同类型闪电熔岩生成以后，结合电子显微镜和电子探针研究闪电熔岩的微观结构及化学成分。首先，利用带有特定能量的电子束轰击闪电熔岩，被轰击区发射出闪电熔岩中元素的特征x射线；再利用半导体探测器的能量色散特性，对接收的信号转换、信号处理、信号放大以及信号分析等，可获得闪电熔岩各元素的特征x射线的能谱与强
度值；最后通过与标准样品的x射线能谱与强度值对比分析，获得闪电熔岩的化学组成的定量结果。值得指出的是，利用电子束轰击闪电熔岩时，除了反射元素的特征x射线，还反射二次电子和背射电子，利用这些信息可以获得闪电熔岩的形貌特征。
77.参见图5所示，图5示出了闪电熔岩化学成分分析中x射线探测示意图。首先利用入射电子束22照射到闪电熔岩样品23表面，该样品中的不同元素均会发射出不同的特征x射线；然后利用分光器24把不同波长的x射线分开，通过连续转动分光器24和探测器25，就可以接收到不同波长的x射线；探测到的x射线波长信息进入到处理电路，先利用前置放大电路26进行初步处理后，再进行次级放大电路27处理；最后利用多通道信号分析仪进行分析和处理，然后利用记录仪29进行记录、荧光屏30进行显示和输出设备31进行信息的输出。
78.在上述技术方案中，本实用新型提供的一种人工生成闪电熔岩的系统，具有以下有益效果：
79.本实用新型的系统将闪电引导至不同类型的硅质沙堆中，利用闪电放电产生的巨大能量释放在不同类型的沙堆中，生成不同的闪电熔岩。该系统填补国内关于闪电熔岩研究领域的空白，对于全球的气候变化研究以及考古研究具有不可估量的价值。
80.本实用新型的系统立足人工引发闪电实验平台，通过设计针对性的实验方法，为人工生成闪电熔岩提供有利条件。同时，深入研究人工生成闪电熔岩的生成环境和形成机理。另外，亦可结合目前发展的闪电熔岩进行对比分析，探讨全球气候环境的变迁以及古气候环境的特点。
81.以上只通过说明的方式描述了本实用新型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，在不偏离本实用新型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，不应理解为对本实用新型权利要求保护范围的限制。