一次地缘伽马射线的闪电图观测外文翻译资料

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毕业设计/论文

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一次地缘伽马射线的闪电图观测

Gaopeng Lu,¹ Richard J.BlakesLee,² Jingbo Li,¹ David M Smith,3 Xuan-Min Shao,⁴

Eugene W.McCaul,⁵ Dennis E.Buechler,⁶ Hugh J.Christian,⁶ John M.Hall,⁶ and Steven A.cummer¹

我们绘制出了RHESSI于2008年7月26号侦测到的与地源伽马射线脉冲（TGF）相关的北阿拉巴马州的闪电成像阵列（LMA）图，LMA数据清晰的表明TGF产生于密集的云闪（IC）的初始发展阶段，产生高度大约在海平面上8.5km的负闪电区域（-22°的温度层）和13km的正放电层之间，分布位置大都集中于沿着RHESSI观测路径上的孤立风暴的对流核心中。在LMA资料的峰值（26kw）出现之后，最初的闪电刺激导致了不寻常的大的云闪（IC）电流矩，在第一个LMA信号源出现之后的2ms内能够侦测到电流矩的出现，在随后的2ms不断增加增加。这缓慢形成的电流矩极有可能和上升的引导过程有关，在引导过程中，当受到一系列的高速电子冲击时，在3ms的时间内将会产生了巨大的云闪电流矩的变化（ 90Cbull;KM），这个观察结果表明，TGF的发展过程中包含了向上的引导发展。

1. 引言

地缘伽马射线(TGF)是在近地轨道观测到的爆发性的逃逸电子的现象，地缘伽马射线(TGF)的电子能量大约在10Mev，甚至更高。地缘伽马射线类属于从空气分子的原子核散播出的逃逸电子的韧致辐射，同时，TGF和闪电放电之间的联系可以由探测低频辐射现象得出。

尽管TGF最初被认为受到发生高空大约在30-50km的由高空向地面传输正电子的正地闪（CG）过程驱使，然而，通过更加具体的闪电观测以及光谱分析发现，事实上TGF的发生高度在大约21km处，极有可能和云闪(IG)的放电过程联系在一起，比如在雷云中形成一般的极性云闪的初始阶段，产生的负电荷的上升的过程。有时能量超过1Mev的闪电关联电子辐射的爆发在地面上被观测到和自然产生的负地闪相联系，坐标测量表明这些负性闪电和向下的负引导过程有关。但是，通过RHESSI卫星测量出的卫星TGF数量相对来说发生频率较低，同时有1-2ms的时间不确定性，这使得TGF和闪电放电的精确的时间关系，同时很多与此的细节不是很清晰。通过在2004年12月27号观测到的宇宙伽马射线进行的一次标定法将RHESSI的时间修订到200us。但是否还存在其他更大的时间不确定性取决于是否解决了存在的补偿，以及时间变量误差。

我们绘制了北阿拉巴马的闪电图（LMA）数据的观测结果，这是首次对TGF进行闪电演变在时间分辨的上的研究。LMA数据清晰的表明伽马射线的爆发产生于云闪的初始发展过程中。并且在TGF的产生中还会发生向上的发展过程。电场以及磁场的遥感测量技术，为TGF的相关闪电过程的分析提供了数据基础。

1. 数据与观测

2008年7月26号当RHESSI经过美国田纳西州的时候在560km的高度检测到一个TGF信号。第一个量级在 Mev 的电子的出现在用RHESSI 时间进行修正的09:38:16，2738世界时，TGF信号的持续时间大约在0.2ms

（图一）

a由RHESSI 观测到的TGF图像，b TGF的关联闪电的雷云中降水反射率由阿拉巴马州的气象观测雷达观测得出，扫描的高度角为0.47°，扫描高度为海平面以上3.6km左右。图b中的小图中的粉红色表明了发生的TGF信号发生在雷达扫描的3,37度仰角上的所扫描出的强对流区。

一般来说当出现很大比例（70%）的电子所具有的能量达到1Mev 以上时，意味着在子卫星（36.156°N,87.883°W）附近 有光源。

图一（a）给出了和TGF相关的测量结果，在气象雷达所探测的众多风暴中，存在一个美国闪电侦测网（NLDN）定位的孤立的风暴在子卫星的36km的探测范围内的过程中有明显三个闪电放电过程。三个放电过程中的最大值达到（ 36KA）。第二次NLDN所探测到的闪电放电出现在TGF产生的1ms之内，在最初这种放电被划分为正地闪，但在随后可以通过多种理由能够确定其应该属于正云闪放电。扫描角为0.47°的雷达的扫描结果表明，产生这种放电的闪电形成于那些有超单体特征的风暴的对流区域。 北阿拉巴马州的闪电图（LMA）记录下了这种云闪的时间过程，LMA能够通过在范围达到直径达到80km的11个接收器在76-82Mhz的波段内定位超高频传输的来源。通过LASA的两个接受器以及杜克大学附近的观测场能够测量出TGF的低频电场以及磁场。

图一（b）中的插图的内容是雷达以3.37°为仰角扫描高度为海平面上13km处的风暴区域，在TGF形成5分钟之前有雷达回波强度为20-dBZ的形状出现，意味这在对流区有强的上升运动的产生，雷达在更高的高度上的扫描结果（图中未显示）表明大于0dBZ反射率的 云顶高度在13-16km，和无线电探空仪探测的出的15.5km的对流层顶高度一致（见图二）。

图二表明了LMA探测到的TGF产生的云内闪过程，包含了在230ms内探测到的41个超高频信号源。在LMA所探测到的170km范围内，这些信号源几乎都产生于负的引导电子向正电子区移动。通过计算推算出的位置有很大的不确定性（大约5km），主要时辐射的高度以及辐射的距离。但是 ，那些可靠的LMA检测结果（卡方检验chi;lt;0.5）描绘出了，在风暴的上层有两层云内闪电的发展。这些信号源分布在雷达扫描的13km的高度上，表明了密集的云内闪电主要分布在对流区域，其余的卡方检验(chi;gt;0.5)的信号，包括那些高度在15km之上的LMA信号源，虽然可信度不是那么高，但是仍然为闪电的演变提供了有价值的信息，因为LMA的时间精度可达10us。

（图二）

a北阿拉巴马州的LMA绘制的云内闪电（IC）的时间演变图，c杜克大学附近记录的低频磁场的时间图。云内闪电（IC）在发生的初始时刻所引起的明显的超低频(ULF)脉冲。图二a中表明了NLDN侦测到的三次放电过程。b中表明了当地的对流层顶的高度。

RHESSI从LMA观测结果的最初的几个具有从低层的负电子层向上层的正电子层传播电子云内闪电（IC）的时间附近观测到TGF，随后的在12km到15km的水平方向的传播表明主要的 正放电在集中在这个区域。同时负的放电层大约在7-10km，因为LMA的观测数据表明在同一个风暴中地闪的负的电子传输主要来自这一范围。其中的一个高度在8.5km的负放电层和一个超风暴单体上升区中的负放电区的温度层（-22°C）一致，但是比阿拉巴马州的观测到的其他的雷暴中的负放电区要高2km左右，在TGF放电过程中相关的放电层在图二（b）中均有表示。

在最初的云内放电中，在频率范围在0.1HZ-400HZ，空间范围在800km的低频磁场中产生了一个明显的超低频脉冲（见图二（c））。这脉冲的负极性和一般的云内闪电（IC）的向上的负电子传输的情况一致.对于大部分的同一风暴中的云闪，时间在6:00UT到10:20UT之间，NLDN在初始时刻侦测到的峰值电流在几千安培到 70千安培之间，对于300个云闪的低频信号的分析意味着在闪电的初始阶段，当90%的闪电呈现出超低频时，TGF脉冲将成为其中最强的脉冲，并且强度时一般的6倍以上。

除了有明显的超低频脉冲，在产生TGF的闪电中还伴有峰值能量达到26kw的LMA观测结果，一般的闪电仅仅有8-700w。如图二（a）中所示，第一个LMA观测的数据，对NLDN观测到的 20kA的峰值放电有刺激作用，同样的事件，在云闪出现峰值能量在100kw时将会伴随有发生在活跃的风暴的正负的放电层之间出现的狭窄的双极事件。而由于缺少必要的实验，我们并不能得出必然会发生这样事件的结果。初始伴随有极高峰值能量的LMA信号，在许多，同风暴中云内闪电同样可以观察到，虽然这些闪电中的超低频不能如图二（c）中的那么强烈。因此，在初始阶段出现一个不寻常大的超低频脉冲，似乎成为发生TGF的特征。在4分钟的间隔内（9:36-9:40），当子卫星处在风暴的800km的范围之内时，在闪电中还有4个云内闪电能证明曾经发生过超低频脉冲。这些和图二（c）中的TGF相关的超低频脉冲的量级在0.15-0.5之间。RHESSI并没有报出这些。

虽然有很高的峰值能量，但是第一次的LMA只有7个接受器接受到，相对较大的卡方值（chi;**2=1.67）意味着计算出的高度（17km）不可靠，很可能时因为单站或多站的饱和性，还可能时因为本身信号源辐射的复杂性。第一个LMA信号源，被认为开始和图二中的放电层之间的云闪有关，我们估计高度大约在10km，5ms之后将会10.5km通过10个超低频接受器测量，我们将会得到第二个TGF信号。

1. 分析与讨论

从低频磁场的测量中，我们提取出时间流数据，以及放电通道，通过遥感器限制在400hz以上，第二次更加真实的波形通过协同附加方法得出。同时，第二次NLDN放电激发的3ms的时间窗中的NLDN侦测，以及LASA测量均可控，精度在百分之1秒，意味着在第一个LMA信号源之后的5ms时间间隔之内，有至少6个不连续的快速放电过程。这些由LASA得出的放电现象的次数，持续时间，振幅被用于修正波形。为了测量NLDN的峰值电流移动，我们假设所有的这些放电在8.5km的放电区和高度第一次NLDN放电的10km到最后一次的LASA放电的1.5km的LMA的引导点之间垂直延伸。图三将伽马射线暴的两次移动和第一次的LMA的几个信号源所绘的云内闪电的闪电演变相比较，图上的点反应了信号源位置的变化。

伽马射线暴产生于第一次和第二次的LMA信号源的5ms之间，意味着TGF产生的闪电过程比同在76-82宽度之间的之后的引导发展要弱。另一方面，遥感测量表明这个辐射强度在300hz到30khz之间。在第一个LMA信号之后，TGF的产生和基于2ms内的可侦测的稳定趋势的5个快速的放电相关，尽管这些电流在受到强度达到2kA/KM的背景噪声影响下会提前发生。这种电流，同样在最后的LASA放电之后会持续1ms。整个序列在3ms内产生了90c·km的充电变化，大约是RHESSI的TGF的平均补充电子的两倍。

（图三）

沿着长度为1.5-2km的垂直的闪电通道的电流矩波形，TGF的产生以及LMA信号源在第一个12ms的时间间隔内的初始云内闪电（IC）发展.NLDN和LASA 接受器侦测到的快速放电过程，通过狭窄的脉冲叠加在从超低频脉冲中提取出的缓慢的电流矩上表现。

即使考虑到RHESSI观测数据在经过1.8ms的补偿修订之下仍然有1-2ms的不确定性，我们仍然能得到一些可信的结论。TGF出现在第一次云闪开始之后，早期的不寻常的大的移动趋势导致的上升负电子移动，将使得这云内闪电的发展更加有可能产生TGF的发展。在这段时间内极有可能，产生一个大的非典型的充电现象，这为TGF的产生提供了足够的电子。如图三所示，TGF在波动驱使的值达到10KA.KM才产生，或者一个在2km的假定通道内的gt;5KA的趋势。从传输中产生高能量的电子，和理论以及地面所观测到的辐射能量在10Mev以上的电子是一致的。

引导趋势和2ms的内的快速放电的不连续性相关。这些放电的一小部分出现在TGF的过程中。这些瞬间的不寻常的高能量放电在TGF结束后均停止，随后的LMA数据表明负的引导电子在超高频引导趋势呈现阶梯状的辐射阶段之后在几百分之一秒内仍然将向上传播。伽马射线产生和独立的快速放电之间的相互联系需要比RHESSI所提供的数据更加精确的时间数据，但是在这些产生过程中伽马射线仍然有可能出现开始和结束。

基于LMA数据观测到的垂直运动，伽马射线暴在引导电子上升到10-15km的高度时产生，这和TGF相关的云内闪电的10-15km的放电高度。但是Monte Carlo 刺激表明观测到的伽马射线光谱和15-21km的TGF信号相一致。这断裂的高度带使得精确定位由向上负引导电子相关的伽马射线的产生位置困难。

1. 总结

我们已经分析了北阿拉巴马州的LMA接受的RHESSI观测的2008年7月26号的TGF信号。LMA数据清晰的表明，在子卫星点的30km的范围内，在云内闪电的初始阶段，TGF和向上传播的电子有关。这里的云内闪电的范围在孤立的在海平面上8.5km有负电子区，在13km有正电子区的风暴的对流区域。在700-800km范围内的低频电磁场的同步测量在随后的3ms内得到和云内闪电相关的TGF信号将会有 90cokm的变化。这种变化极有可能和闪电产生后的向上引导电子有关，RHESSI的时间

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