一次产生地源伽马射线脉冲的母体雷暴闪电活动分析

论文总字数：17904字

目 录

1 引言 1

2 相关数据以及闪电结构 2

2.1 LMA数据（闪电成像阵列） 2

2.2 NLDN数据（美国国际闪电侦测网） 3

2.3 地闪（CG） 4

2.4 云闪（IC） 5

2.5 宽带磁天线遥感测量 6

3 对一次TGF母体雷暴的分析 7

4 对同一天气系统下周边风暴的分析 13

5 TGF高度的相关研究 21

6 总结与讨论 22

参考文献 22

致谢 24

一次产生地源伽马射线脉冲的母体雷暴闪电活动分析

王旭源

，China

Abstract： The terrestrial gamma ray flash (TGF) has been researched since it was detected by the RHESSI .The TGF has a very low frequency pulse at the initial progress. This special pulse may cause great impact on Aviation industry,local industry and people’s daily life.Maybe some day we can use special equipment to energy from it because the TGF contain the great power .In this article,we will know about data used to analyze the storm that appear the TGF,talk about the relationship between the appearance of the TGF and the IC together with CG,and the altitude of the TGF. Because of there are different storms during the timing so we will mention the way of how to analyze these storms.

Key words： TGF(terrestrial gamma ray flash); LMA(lightning map array);NLDN(National lightning detective network);Storm activity;IC

1. 引言

地源伽马射线(TGF)[Fishman et al.,1994]是在近地轨道观测到的爆发性的逃逸电子的现象，地源伽马射线脉冲通常的持续时间在300-400μs，同时地源伽马射线(TGF)的电子能量大约在10Mev，甚至更高^[1]。

这样的一种高能量，短时间的放电现象的出现对于航空，气象等事业的正常运行将会形成干扰，因此要对这种现象的成因进行相关的研究。

地源伽马射线（TGF）在最初被观测到时，被认为产生于高空，并且和sprite闪电相关。在随后的观测中发现地源伽马射线（TGF）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（带电粒子在碰撞过程中产生的辐射）。尽管起初，TGF被认为时受到高度大约（30-50km）处的由高空向地面传输电子的地闪（CG）过程驱使，然而，通过观测发现，事实上TGF的发生高度在大约21km处，极有可能和云内闪(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内闪的初始阶段，产生的负电荷的释放过程。就以往的观测而言超过1Mev的闪电电子辐射暴和地闪相关。但是，通过RHESSI卫星测量出的卫星TGF数据我们发现，这种相关的出现相对来说发生频率较低，同时微小的时间不确定性使得很难确定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。是否还存在其他更大的时间不确定性，取决于是否修正解决了补偿以及时间变量误差。

在随后的研究^[2]中指出，TGF的发展和具有在初始发展阶段有向上传输的引导电子的致密云闪（IC）有关。这种云闪的结构将会导致TGF在随后的发展中产生 90Cokm/3ms的变化。本文中，将对观测TGF的观测数据、观测方法、观测结果进行介绍，对更多的具有云闪（IC）特征以及地闪(CG)特征的风暴和TGF的关系进行分析。

二、相关数据及闪电结构介绍

2.1 LMA数据（闪电成像阵列）

闪电成像阵列（LMA）是一种用三维空间以及时间来定位闪电辐射来源的侦测系统，该系统基于由美国国家航天局的肯尼迪空间中心所使用的闪电侦测及顶域（LDAR系统）^[3]。该系统能够在六个以上台站计算高频脉冲辐射的到达时间，并且能够使用到达时间来计算辐射来源。相较于用高速传送视频数据到中央站计算的方法，该系统充分利用GPS技术，能够在每个接受点独立的计算到达时间。相对低的到达时间数据会在随后通过无线传送到中央站点进行处理。LMA系统在1998年6月首次在俄克拉荷马运用，随后在8月到9月用于新墨西哥。在每个站点，均能够侦测到高频辐射的峰值。每当射频能量超过一定噪声量级时峰值辐射的时间和量值均可以在100um的时间间隔内被记录。同时峰值的信号数量通过 以50ns为时间分辨率的数据转换器，这个数据转换器，精确固定以每秒一个脉冲的输出。当有明显的特征的事件能够被六个或六个以上站点所侦测到时，将会以三维空间和时间的方式被记录下来。

LMA数据的准确性的研究一直在进行^[4]。主要的修正LMA数据的准确性的方式有侦测气球侦测、飞行器跟踪以及远距离风暴观测。目前，还研发了几何模型来确定范围网内外的信号源的不确定性。这种几何模型能够很好的预算出观测误差，同时能够和从最小二乘法中得出的位置不确定度的方差估计一致。LMA数据在水平方向上有6-12m，在垂直方向上有20-30 m 的均方根的不确定度，这种不确定度和通过卡方检验的40-50ns的时间分布的不确定度是一致的。

LMA观测结果的不确定度会随着范围的增长而产生误差的增长。相较于距离产生的误差，方位角误差的变化更小。所有的结果均满足时间观测的双曲线的结构。LMA的基本数据处理过程及原理，首先脉冲辐射出现在一个三维的（x，y，z）的空间内，一系列的时间数据 t 被记录在每个坐标上。对于观测点（x_i，y_i，z_i），到达时间为t_i 根据公式：

在公式中C表示信号传输的速度，在Ngt;=4的位置测量得到的t_i可以被用于确定未知的4个变量（x,y,z,t）。LMA在堪萨斯西北以及科罗拉多东部的60×80km的范围内布设了13个站点，在阿拉巴马以及俄克拉荷马地区的相似大小的范围内布设了10-12个站点，这些站点的间隔在15-20km，通过无线传输连接到中心。这种信号传输方式有利于实时数据的汇总与处理。每个LMA站点均使用比电视的VHF(通道3,60-66MHZ)通道略低的通道来接受闪电信号。辐射信号在大约80db的动态量程中被指数性的接收，随后通过特殊的数据接受器以及处理器（LMA卡）将接受到的信号进行数据化。处理信号时，LMA卡将以25MHZ的速度处理数据，并且在80μs的时间内确定峰值的到达时间。对于峰值的判定，每个台站都设有阈值，当峰值的强度达到阈值，则该峰值就被自动记录下来。一般来说峰值的强度在-70到-80dBM之间，这取决于当地的噪声干扰。通过以上的运作，根据1s内80µs的数量各台站的可侦测到的事件的数量达到12500 s^-1。在没有闪电发生时，阈值一般调整为能够在每秒内产生100-1000个触发点的大小。每个台站的反应触发速率受到台站附近的随时间变化的辐射频率的影响，异常的传播以及远程接受信号时的接受通道的变化同样会对整个网络的运行产生影响。当远程信号产生变化时，整个反应触发速率都会收到影响，因为阈值的设定应该尽量满足高于干扰信号。

LMA系统和早期的LDAR系统的最大区别在于TOA（time of arrival）值分别在各个子站进行运算。通过GPS就能够为各台站提供提供精确的数据库，这减少了从各站向中央处理中心的传输数据的时间，同时也增加了数据的可靠性以及抗噪声的能力。这种独立计算时间的方式使得每个台站都能独立的运行，同时使得整个系统在特殊情况下也具有工作能力。每个站点的GPS的接受器每秒释放一个精确到几亿分之一秒的脉冲信号。这个信号用于控制LMA卡的25MHZ的主震荡器的频率，同时计算时产生的数据差异被记录下来，用于随后的时间处理。LMA通过侦测闪电的高空信息能够记录在发生范围内所有闪电的背景信息包括经纬度、高度、强度、时间以及定位精度。

在图三以及图四中对于LMA的数据构成进行了总的描绘，分别给出了LMA数据构成中的各量值的之间的关系。

2.2 NLDN数据（美国国际闪电侦测网）

闪电是在有闪电发生倾向地区，造成电能传输的损失、中断以及短暂的最大的原因，同时，闪电是影响电子系统的主要电磁原因。为了预防以及缓解闪电灾害的发生,美国电力研究机构研发了美国国际闪电侦测网（NLDN）。该系统能够精确定位一个地闪发生的时间、地点、闪电振幅以及回击闪电的极性。NLDN的实时数据同时也被美国联邦航空机构，国际气象服务等机构用于闪电强度、发生位置以及移动路径的测^[5]。

NLDN数据（美国国际闪电侦测网），通过两个站点的测量出的闪电的角度以及通过闪电峰值到达测量各站的相对时间之差，所得的4个时间数据和两个方向数据来进行闪电的定位。通过对时间因子误差以及角度误差因子进行加权运算得到一个相对准确的闪击位置以及时间^[6]。

NLDN仪器：目前的NLDN 由113个IMPACT ESP探测器联网组成，NLDN的天线系统包括电场，磁场，以及GPS天线组成，电场天线用于确定电场极性，磁场天线用于确定方向，同时用于估计峰值电流。GPS天线的同步时间可达0.1us

和LMA数据一样NLDN同样有误差，从NLDN的计算模型可以看出。首先NLDN的模型原理为最小二乘法，所以必然会在定位点产生误差，为了纠正误差就需要进行一系列算法使得定位点的误差最小。

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