雷暴地球伽马射线闪探测研究进展及若干问题探讨_吕凡超.pdf

雷暴地球伽马射线闪探测研究进展及若干问题探讨吕凡超1,2*,张义军3,陆高鹏4,祝宝友4,张鸿波5,徐未6,熊少林7,吕伟涛21.南京气象科技创新研究院,中国气象局交通气象重点开放实验室,南京 210041;2.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京 100081;3.复旦大学大气与海洋科学系/大气科学研究院,上海 200441;4.中国科学技术大学地球和空间科学学院,合肥 230026;5.中国科学院大气物理研究所,中层大气和全球环境探测重点实验室,北京 100029;6.武汉大学电子信息学院,武汉 430072;7.中国科学院高能物理研究所,北京 100049*通讯作者,E-mail:收稿日期:2022-06-09;收修改稿日期:2022-10-11;接受日期:2022-11-02;网络版发表日期:2023-02-07国家重点研发计划项目(编号:2017YFC1501500)、中国气象科学研究院基本科研业务项目(编号:2020R004、2021Z003)和国家重大科技基础设施子午工程和中国科学院国际伙伴计划项目(编号:183311KYSB20200003)资助摘要地球伽马射线闪(Terrestrial Gamma-ray Flashes,TGFs)是近来相关研究比较活跃的一类发生在雷暴中的高能辐射现象,可在地面和近地轨道卫星平台上观测到光子能量高达几十兆电子伏特的伽马射线爆发.观测表明TGF是伴随雷暴闪电发生的一种自然界比较常见的高能大气物理现象,但其产生过程、物理机理及效应等尚不清晰,TGF研究也已成为大气电学与高能物理这一前沿交叉领域的热点研究问题.文章阐述了近十年来关于TGF探测、TGF与闪电放电过程及雷暴活动相互关系等方面的研究进展,并对一些尚存的问题进行了讨论.卫星观测发现上行TGF与云内初始先导过程关系紧密,一般发生在云内先导起始之后几毫秒时间内,并可能由于其发生过程伴随的瞬时大量电子转移产生特殊的低频电磁辐射.相比之下,目前报道的下行TGF的发生环境比较复杂,可能伴随着不同类型的闪电放电过程,如上行正先导/下行负先导、连续电流过程、回击过程等.由于地面观测资料较少,与上行TGF相比,下行TGF产生过程的研究更加缺乏.随着精细时空探测系统的发展,基于地面与卫星观测平台的精细协同观测将对TGF产生过程及其机制的研究带来更多新的认识.关键词地球伽马射线闪,闪电,雷暴,高能辐射,电磁探测1引言随着对雷暴中放电过程观测研究的不断加强,人们对闪电过程及其电磁效应的理解也逐渐深入,越来越多的放电子物理过程被揭示并获得学术界关注,伴随雷电发生的高能物理过程即是其中之一.最早对大中文引用格式:吕凡超,张义军,陆高鹏,祝宝友,张鸿波,徐未,熊少林,吕伟涛.2023.雷暴地球伽马射线闪探测研究进展及若干问题探讨.中国科学:地球科学,53(3):421443,doi:10.1360/SSTe-2022-0176英文引用格式:Lyu F,Zhang Y,Lu G,Zhu B,Zhang H,Xu W,Xiong S,Lyu W.2023.Recent observations and research progresses of terrestrial gamma-ray flashesduring thunderstorms.Science China Earth Sciences,66(3):435455,https:/doi.org/10.1007/s11430-022-1026-y 2023 中国科学杂志社中国科学:地球科学2023 年第 53 卷第 3 期:421 443SCIENTIA SINICA T综 述气学科中的高能物理现象的研究要追溯到1925年Wilson通过模拟对大气中高能电子产生过程的理论研究(Wilson,1925).他发现当大气中的电子在环境电场中获得的能量大于其与空气分子作用损失的能量时,电子本身的能量会不断增大并产生逃逸过程,随后通过韧致辐射产生伽马射线.逃逸电子的产生需要背景电场强度大于所谓的相对论击穿电场阈值,海平面高度上对应的电场强度为Eth=284kV m1(Dwyer,2003,2012).观测表明,雷暴中的电场强度可能达到100300kV m1(Marshall等,1995;Rakov和Uman,2003),因此存在接近此相对论击穿电场阈值的可能性,为雷暴中高能辐射过程及其与闪电过程关系的研究提供了必要的理论基础.而首次从观测上证实雷暴中高能辐射过程的存在要得益于1991年4月发射的用于探测宇宙伽马射线爆发的康普顿伽马射线观测仪卫星(Compton Gamma-Ray Observatory,CGRO)(Fishman等,1994).搭载在CGRO卫星上的Burst and TransientSource Experiment(BATSE)探测器主要用来探测来自各个方向的高能宇宙射线爆发.两年的观测时间内,BATSE记录到了12个来自于地球表面的高能辐射事件(Fishman等,1994).通过对气象同步观测资料的分析,确定这些高能辐射事件与地面雷暴活动密切相关,这也是地球伽马射线闪(Terrestrial Gamma-ray Flash,TGF)中地球(terrestrial)一词的由来.Fishman等(1994)的报道为TGF等雷暴中高能辐射过程的研究奠定了观测事实基础,从而使这一研究发展到理论与观测相结合的阶段.简单来说,TGF是一类发生在雷暴过程中的高能辐射现象,其辐射能量可达几到几十兆电子伏特(MeV)(Smith等,2005),甚至更高(Marisaldi等,2019),往往伴随闪电的发生而产生.TGF最开始被认为是一种稀有的现象,但随着观测方式的更新及研究的进步,人们发现其可以发生在各种不同类型的对流性天气系统中,是自然界中一种比较普遍的高能辐射现象,最近的观测甚至在火山闪电过程中也发现了TGF(Briggs等,2022).现阶段对TGF的直接观测仍然主要来自于搭载在近地轨道卫星平台的伽马射线探测器,这一类TGF(上行TGF)的辐射方向从雷暴主体向上到达卫星观测平台,地面电磁探测作为同步观测手段为TGF研究提供了重要佐证.基于TGF的卫星与地面观测,研究人员从TGF与闪电过程的关系、TGF的产生机理等方面进行了一系列的研究与讨论.随后,下行TGF(伽马射线辐射方向从雷暴主体向下到达地面)也被观测证实,但由于观测样本相对偏少,对下行TGF发生环境及机理的研究也还相对缺乏.郄秀书和王俊芳(2010)已对2010年以前国内外进行的TGF研究进行了综述,从TGF与雷暴和闪电过程的关系、观测、理论模型等方面进行了详细的介绍.Dwyer等(2012a)及Dwyer和Uman(2014)也对TGF与其他大气过程中的高能辐射现象进行了综述,从逃逸电子产生的物理机理与特征、大气物理过程伴随的高能辐射观测,及其与某些特殊的放电过程之间的关系进行了讨论.自TGF被观测证实以来,其观测和机理研究迅速发展并获得了持续关注,目前已经成为大气电学与高能物理研究领域的一个前沿热点问题.作为两个领域交叉研究的一个重要方面,TGF物理过程研究一方面对大气电学研究,包括雷电放电机理与效应等基础问题的认识具有重要意义;另一方面对揭示高能辐射在雷暴电场环境中的发生机理及其效应也具有非常重要的科学意义.近十年来,国内外学术界针对TGF研究,从卫星平台观测、地面直接观测、其伴随的闪电放电事件、雷暴发生环境、产生机理等多个方面开展了一系列的研究,发表了超过200篇的研究论文.但目前这种高能辐射过程与闪电放电过程的关系、其物理产生机理,以及其对公共航空及其他航空航天等人类活动带来的危害等方面的认识仍然很不清晰(Dwyer等,2010;Dwyer和Uman,2014;Dwyer,2021).而且国内对这一物理过程的研究才刚刚起步,开展的观测与研究工作极其有限.因此亟需对近年来国内外已有的TGF研究工作进行总结,深入探讨可开展的工作内容,以此推进我国在高能大气物理这一前沿交叉领域的研究.本文将主要围绕近十多年来(主要是2010年以后)学术界针对TGF已开展的上述一系列研究进行评述.2TGF的卫星观测平台对TGF开展观测的近地轨道卫星平台,主要包括美国航空航天局运行的搭载于康普顿伽马射线观测仪卫星(Compton Gamma-Ray Observatory,CGRO)上的Burst and Transient Source Experiment(BATSE)平台(Fishman等,1994),美国航空航天局小卫星计划中的儒温拉玛蒂太阳高能分光成像仪(Reuven Ramaty High吕凡超等:雷暴地球伽马射线闪探测研究进展及若干问题探讨422Energy Solar Spectroscopic Imager,RHESSI)(Smith等,2005),美国航空航天局的搭载于费米伽马射线太空望远镜(Fermi)上的Gamma-ray Burst Monitor(GBM)探测器(Briggs等,2010),意大利的伽马射线轻型探测仪(Astro-rivelatore Gamma a Immagini Leggero,AGILE)(Marisaldi等,2010),欧洲航天局搭载于国际空间站(In-ternational Space Station,ISS)上的大气-空间相互作用监测器(Atmosphere-Space Interactions Monitor,ASIM)(Neubert等,2019,2020).随着国内高能天文观测设备相继发射升空,中国第一颗X射线空间望远镜卫星“慧眼”硬X射线调制望远镜卫星(Insight Hard X-ray Mod-ulation Telescope,Insight-HXMT)(Zhang S N等,2020)和“怀柔一号”引力波暴高能电磁对应体全天监测器(Gravitational wave high-energy Electromagnetic Coun-terpart All-sky Monitor,GECAM)(Chen等,2021)也开展了TGF观测工作.目前,BATSE与RHESSI平台已经退役,不再有新的数据发布.近来也有其他卫星探测到TGF的报道,例如BeppoSAX(Ursi等,2017),RELEC(Bogomolov等,2017)等,但主要是试验性的.国际上自2010年之后用于TGF研究的空间观测平台主要有三个,分别是AGILE卫星、Fermi卫星和ASIM探测器.AGILE于2007年4月23日发射升空,主要用于探测能量在1860keV的X射线与能量范围为30MeV30GeV的伽马射线,其中探测地面伽马射线辐射的设备主要是碘化铯晶体(即CsI(T1)微型量能器(MCAL),其由30个碘化铯闪烁体探测器阵列组成,能量测量范围为300keV100MeV(Fuschino等,2009;La-banti等,2009;Marisaldi等,2010).Fermi于2008年6月11日发射升空,其上搭载了两种伽马射线探测器,分别是Large Area Telescope(LAT)与Gamma-ray Burst Monitor(GBM)(Atwood等,2009;Meegan等,2009;Briggs等,2010).LAT主要用来探测能量超过10MeV的光子辐射,而GBM主要包括12个碘化钠闪烁体探测器(NaI,能量覆盖范围为8keV1MeV)与两个锗酸铋闪烁体探测器(BGO,能量覆盖范围约为200keV40MeV).GBM和LAT都能探测TGF,但是TGF基本是由GBM报道的.搭载于国际空间站(ISS)上的ASIM探测器于2018年4月2日发射升空,其上具有可以同时探测中高层大气放电事件(Transient Luminous Events,TLEs)和TGF的探测器(Neubert等,2019;stgaard等,2019c),主要的仪器包括光子能量覆盖范围为