直接测量雷击产生大气痕量成分的系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种直接测量雷击产生大气痕量成分的系统及方法，该系统分为雷电流测量系统和大气痕量成分测量系统；雷电流测量系统包括屏蔽房和引雷弹；屏蔽房内的电流测量设备用以对雷电流进行定量测量，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；大气痕量成分测量系统包括工作室和分析仪组；进入工作室内的样品气体通过分管器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。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。性强以及易评估等优点。性强以及易评估等优点。

【技术实现步骤摘要】
直接测量雷击产生大气痕量成分的系统及方法


[0001]本专利技术涉及大气痕量气体测量
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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，本专利技术基于人工引雷技术，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。

技术实现思路

[0006]本专利技术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。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]本专利技术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；
[0009]所述雷电流测量系统包括：
[0010]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
[0011]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；
[0012]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；
[0013]所述大气痕量成分测量系统包括：
[0014]工作室；以及
[0015]位于工作室内的分析仪器组；
[0016]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。
[0017]进一步的，所述分析仪器组包括：
[0018]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；
[0019]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；
[0020]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；
[0021]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；
[0022]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。
[0023]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：
[0024]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；
[0025]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；
[0026]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；
[0027]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。
[0028]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：
[0029]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；
[0030]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；
[0031]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。
[0032]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：
[0033]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；
[0034]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；
[0035]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；
[0036]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；
[0037]用以抽出气体的电泵经过臭氧变换器与反应室连通。
[0038]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：
[0039]臭氧发生器、样品室以及参考空气室；
[0040]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；
[0041]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。
[0042]本专利技术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：
[0043]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，闪电通道沿着本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.直接测量雷击产生大气痕量成分的系统，其特征在于，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)；所述雷电流测量系统(10)包括：屏蔽房(13)，所述屏蔽房(13)内放置有电流测量设备和位于所述屏蔽房(13)上端的引流杆(14)；以及引雷弹(11)，所述引雷弹(11)通过钢丝(12)与所述屏蔽房(13)上端的引流杆(14)连接；所述屏蔽房(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；所述大气痕量成分测量系统(20)包括：工作室(21)；以及位于工作室(21)内的分析仪组；进入工作室(21)内的样品气体(27)通过分管器(22)分别输送至所述分析仪组内的各个分析仪进行不同气体的测量；所述分析仪组包括：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)；所述一氧化碳分析仪(23)用以测量输送至其内的样品气体(27)的一氧化碳浓度；所述二氧化硫分析仪(24)用以测量输送至其内的样品气体(27)的二氧化硫浓度；所述氮氧化物分析仪(25)用以测量输送至其内的样品气体(27)的氮氧化物浓度；所述臭氧分析仪(26)用以测量输送至其内的样品气体(27)的臭氧浓度。2.根据权利要求1所述的直接测量雷击产生大气痕量成分的系统，其特征在于，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：气体渗透干燥组件(231)，所述气体渗透干燥组件(231)接收样品气体、并对样品气体(27)进行渗透干燥处理；位于所述气体渗透干燥组件(231)工艺下游的气体过滤器(232)和干涉滤波器(233)；经过二次过滤的样品气体(27)通过窄带通干扰滤波器(233)注入红外辐射，并进入红外探测器(234)，所述红外探测器(234)将探测到的特定波长的变化转换成电信号并输出；经过所述一氧化碳分析仪(23)处理后的样品气体(27)通过电泵(3)抽出。3.根据权利要求1所述的直接测量雷击产生大气痕量成分的系统，其特征在于，所述二氧化硫分析仪(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：碳氢化合物过滤器(241)，样品气体(27)通过所述碳氢化合物过滤器(241)去除样品中的碳氢化合物分子；位于所述碳氢化合物过滤器(241)工艺下游端的光电室(5)，样品气体(27)通过光电室(5)内的紫外光源激发使二氧化硫分子成为激发态分子，该激发态分子返回基态时发射特定波长的荧光，该荧光经过带通滤波器(242)后进入光电倍增管(243)并利用所述光电倍增管(243)将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；经过所述二氧化硫分析仪(24)测量后的样品气体(27)通过流量控制室(7)和气体压缩(8)后，经过所述碳氢化合物过滤器(241)利用电泵(3)抽出。4.根据权利要求1所述的直接测量雷击产生大气痕量成分的系统，其特征在于，所述氮
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：用以压缩样品气体(27)的压缩管(251)，所述压缩管(251)的输出端安装有电磁阀；与所述压缩管(251)通过电磁阀连通的NO反应室(252)和NO
X
反应室(253)，根据测量不同类型的氮氧化物需求，所述样品气体(27)通过所述电磁阀进入所述NO反应室(252)或NO
X
反应室(253)；位于所述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)；与所述反应室(254)连接的气体过滤器(255)、以及位于所述气体过滤器(255)工艺下游端的测量设备(4)；反应室(254)内的部分样品(27)经过臭氧变换器(256)后利用电泵(3)抽出分析仪。5.根据权利要求1所述的直接测量雷击产生大气痕量成分的系统，其特征在于，所述臭氧分析仪测量(26)样品气体中臭氧浓度的系统按照工艺流程包括：臭氧发生器(262)、样品室(263)以及参考空气室(264)；所述样品室(263)和所述参考空气室(264)内气体均利用光源(6)照射，并分别经过工艺下游的探测器(265)进入光电室，经过所述光电室(5)测量后输出信号；所述样品室(263)和所述参考空气室(264)均通过流量控制室(7)和压缩(8)后利用电泵(3)抽出。6.直接测量雷击产生大气痕量成分的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：任渝帆，王东方，陈志雄，郄秀书，蒋如斌，袁善锋，张鸿波，孙竹玲，刘明远，陈睿凌，
申请(专利权)人：中国科学院大气物理研究所，
类型：发明
国别省市：