人工触发闪电高能辐射特征及其与放电参量的关系_张雄.pdf

人工触发闪电高能辐射特征及其与放电参量的关系张雄1,李小强1,张阳2,曹保锋1,郑毅1,蒋如斌3,李鹏1*,张鸿波3,吕伟涛21.国民核生化灾害防护国家重点实验室,北京 102205;2.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京 100083;3.中国科学院大气物理研究所,北京 100029*通讯作者,E-mail: 通讯作者,E-mail:wtluustc.edu收稿日期:2022-06-17;收修改稿日期:2022-10-13;接受日期:2022-11-02;网络版发表日期:2023-01-18中国科学院战略性先导科技专项项目(编号:XDA17040503)和中国气象科学研究院基本科研业务费项目(编号:2021Z011)资助摘要2021年57月,使用自主研发的雷暴高能辐射观测系统,在中国气象局雷电野外科学试验基地首次开展了人工触发闪电高能辐射观测试验,在22次先导/回击过程中成功捕获到17次X射线暴.文章研究分析了X射线暴的能量、时间和方向特征,讨论了高能辐射与相应的回击峰值电流、半峰值宽度、上升时间和回击间隔时间等放电参量的关系以及相关的物理过程.结果表明:高能辐射普遍存在于人工触发闪电过程中,与回击前最后的下行先导过程密切相关,光子能量集中在数十至百keV,高能辐射平均持续时间27s,且具有与垂直向下光束不符的方向特征,可能与先导发展方向有关;高能辐射强度与回击峰值电流正相关,表明其与闪电过程的强弱直接相关,但也同时受到闪电通道条件的调制作用;高能辐射表现出分立脉冲、连续脉冲和分立-连续脉冲3种不同的时间分布模式并在放电参量上存在差异,分立脉冲事件持续时间最长,相应的回击电流半峰值宽度小、回击间隔时间长,且均出现在靠后的先导/回击过程中,连续脉冲事件持续时间短,相应的回击峰值电流小,分立-连续脉冲事件持续时间适中,相应的回击电流半峰值宽度和回击峰值电流普遍较大,3类不同的时间分布事件可能决定于先导发展过程的不同类型.上述观测结果支持先导强场逃逸机制.关键词触发闪电,闪电高能辐射,X射线暴,通道底部电流,先导强场逃逸机制1引言闪电是地球上能量最高的天然粒子加速过程之一(Tavani等,2011;Enoto等,2017).其伴随的瞬态高能现象可能与闪电的始发密切相关,并影响近地空天活动的安全,是大气科学、核科学与技术等不同学科交叉的前沿热点(郄秀书和王俊芳,2010;Dwyer和Uman,2014;王体健等,2019;陆高鹏等,2020).虽然英国物理学家Wilson(1925)在20世纪20年代就提出,雷暴内部的强电场能够加速电子并产生韧致辐射,但直至2001中文引用格式:张雄,李小强,张阳,曹保锋,郑毅,蒋如斌,李鹏,张鸿波,吕伟涛.2023.人工触发闪电高能辐射特征及其与放电参量的关系.中国科学:地球科学,53(3):613627,doi:10.1360/SSTe-2022-0184英文引用格式:Zhang X,Li X,Zhang Y,Cao B,Zheng Y,Jiang R,Li P,Zhang H,Lyu W.2023.Study of the characteristics of rocket-triggered lightning energeticradiation and its relationships with the discharge parameters.Science China Earth Sciences,66(3):633647,https:/doi.org/10.1007/s11430-022-1025-0 2023 中国科学杂志社中国科学:地球科学2023 年第 53 卷第 3 期:613 627SCIENTIA SINICA T论 文年,Moore等(2001)才首次通过地面观测证实闪电能够产生高能辐射.闪电高能辐射(Lightning Energetic Radiation,LER)大致可分为两类:一类是由多个能谱偏软(平均能量MeV及以下)的微秒尺度爆发组成的X射线暴(X-ray burst)(Moore等,2001;Dwyer等,2003,2005;Mal-lick等,2012;Montany等,2014;Hettiarachchi等,2018;Saba等,2019;Tran等,2019;李小强等,2019;Urbani等,2021),一般在负极性云对地闪电的下行先导最后阶段被探测到,并在回击附近终止;另一类是持续数十至数百s、能谱偏硬(单光子能量可达数十MeV)的地球伽马射线闪(Terrestrial Gamma-ray Flashes,TGFs)(Dwyer等,2012;Marisaldi等,2013).TGFs最早由康普顿伽马射线天文台意外发现(Fishman等,1994),而后被多个卫星观测平台证实(Smith等,2005;Briggs等,2010;Marisaldi等,2010;Neubert等,2020;Zhang等,2021),并被认为主要与云内闪电的上行负先导有关.而随着研究的深入,近来也陆续有一些下行TGFs的报道(Ringuette等,2013;Tran等,2015;Abbasi等,2018;Gurevich等,2018;Pleshinger等,2019;Wada等,2019a,2019b;Belz等,2020;Hisadomi等,2021;Kereszy等,2022).由于雷暴环境的复杂性、闪电发生的偶然性以及大气对X/射线强烈的吸收衰减,使得LER的地面观测十分困难.但其相较空天基观测,仍然具有距离源区近、便于组网、易于部署等优势.特别是针对具有预知时间和地点的人工触发闪电(史东东等,2018)而开展的观测试验,有望取得高分辨观测数据,与其他多手段同步数据相结合,可为揭示LER物理机制提供关键信息(Berge和Celestin,2019;Lindanger等,2021).人工触发闪电的先导/回击过程与自然闪电的后续先导/回击过程类似(郄秀书等,2013),其下行先导可呈现为直窜先导(Dwyer等,2003,2004a)、直窜-梯级先导(Saleh等,2009)和不规则直窜先导(Hill等,2012)等形式,均可伴随X射线暴并具有不同特征.如在直窜-梯级先导过程中,辐射脉冲表现出与梯级对应的分立性(Dwyer等,2004a;李小强等,2019),而在直窜/不规则直窜先导中,辐射脉冲更加连续(Hill等,2012;Pu等,2019).X射线暴的持续时间差异较大,最短约数s,最长可超过百s,典型值20s(Dwyer等,2004a;Hill等,2012).单个光子能量为30250keV(Saleh等,2009),但也存在MeV的高能光子(Dwyer等,2011).Arabshahi等(2015)利用闪电高能辐射能谱仪,结合蒙卡仿真计算进一步发现,X射线暴的能谱具有多样性,伴随直窜-梯级先导的X射线暴能谱最硬,这可能与该类先导头部具有相对更强的电场有关.X射线暴总体上表现出垂直向下的各向同性方向特征(Saleh等,2009),且具有宽束和窄束两种不同的光束分布模式(Schaal等,2014),但单个爆发过程具有显著的各向异性(Schaal等,2013),可能与先导头部的电场方向有关.Schaal等(2012)还发现X射线暴强度与回击峰值电流正相关,并在回击峰值电流到达10kA后趋于稳定,认为X射线暴强度存在上限.而与人工触发闪电有关的TGFs,目前仅报道过2次,均于上行正先导传输至几公里高度时被探测到,并伴随有电流脉冲过程,光子的最大能量超过10MeV(Dwyer等,2004b;Hare等,2016).关于LER的产生机制,在相对论逃逸电子雪崩(Relativistic Runaway Electron Avalanche,RREA)(Gur-evich等,1992)基础上,主要发展了基于热逃逸种子电子的先导强场逃逸模型(Moss等,2006;Xu等,2014;Celestin等,2015;Khn等,2020)和基于大尺度雷暴均匀背景电场的相对论反馈放电模型(Dwyer,2008,2012).Howard等(2008)和Dwyer等(2011)分别利用辐射源定位技术和针孔型X射线相机,建立了X射线源与先导(梯级)头部的时空联系,结合其较软的能谱和较低的辐射强度,X射线暴被认为更可能来自先导强场(Arabshahi等,2015).虽然该模型对电场要求极高(3107V m1),但通过先导电场的调制,可以统一X射线暴和TGFs两种不同的LER现象(Xu等,2014;Celestin等,2015).相对论反馈放电模型较好解释了TGFs的高强度与硬能谱(Dwyer,2012),且无需先导强场的参与(Zhang等,2021),所需电场与雷暴大尺度电场的实测值接近(Dwyer,2021).但由于不同LER事件表现的特征多样性,现有观测还不能区分上述模型,也不能排除它们的共同影响(Dwyer,2021;Skeltved等,2017).特别是近来报道的一些与自然闪电先导过程有关的下行TGFs,具有与X射线暴类似的能量和强度特征,逐渐模糊了两者的区别(Tran等,2015;Smith等,2018;Dwyer,2021;Urbani等,2021;Kereszy等,2022),也需要通过更多的观测资料予以明确.尽管在过去的20多年里,围绕LER现象开展了持续的观测与理论研究,但受限于观测资料,仍有许多张雄等:人工触发闪电高能辐射特征及其与放电参量的关系614基本问题没有得到回答,如在LER的能量及时空分布特征等方面还未形成共识,LER与闪电的具体联系也不明确.另一方面,其与闪电放电参量的关系对于理解相关物理机制可能具有启发意义,但相关研究还比较少,且主要集中在高能辐射强度与回击峰值电流之间的关系.因此,为深入研究LER特征及与之相关的物理过程,本文使用自主研发的雷暴高能辐射观测系统(Thunderstorm Energetic Radiation ObservationSystem,TEROS)(张雄等,2022),于2021年夏季在中国气象局雷电野外科学试验基地(Field ExperimentBase on Lightning Sciences,China MeteorologicalAdministration,CMA_FEBLS)(Fan等,2020)首次开展了人工触发闪电高能辐射(Rocket-triggered LightningEnergetic Radiation,RLER)阵列式观测试验,在22次先导/回击过程中捕获到17次RLER事件,形成了TEROS的首个RLER观测数据集,研究分析了RLER的能量、时间和方向特征,讨论了高能辐射与相应的回击峰值电流、半峰值宽度、上升时间和回击间隔时间等放电参量的关系,以及可能的物理过程和影响因素,为后续观测试验优化与物理建模研究提供了参考依据.2人工触发闪电高能辐射观测试验2.1观测设备2021年57月,在CMA_FEBLS广州从化人工引雷试验场开展了RLER观测试验.其中高能辐射数据由TEROS提供.TEROS包括4个基于双通道NaI(Tl)闪烁体探测器的高能辐射探测单元(Energetic Radiation De-tection Unit,ERDU)和1个远程终端单元(Remote Term-inal Unit,RTU),可通过LER判别算法实时自触发,并完成连续时域信号的数字化采集.双探测通道可工作在不同增益下,以实现30keV至最高20MeV的宽量程分能段同步测量,探测器为圆柱形,直径和长度均为7.6cm.TEROS的采样时长为500s,采样率为20MHz,采样精度为14bit,GPS时间精度优于30ns.人工触发闪电通道底部电流由安装在引流杆底部的1m同轴分流器测量,量程为50kA,详细信息参考Zhang等(2016).此外还使用了低频电场变化探测阵列(Low-frequencyE-fi