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雷暴闪电放电活动对电离层影响的研究进展

张义军 张阳

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雷暴闪电放电活动对电离层影响的研究进展

The Effect Research on Ionosphere in Response to Lightning Discharge During Thunderstorm

  • 摘要: 雷暴中的闪电放电能够产生强静电场以及电磁辐射场,从而对空间电离层产生重要影响,引起电离层电子密度分布的扰动。研究表明:闪电放电引起电离层扰动的方式有两种:直接耦合和间接耦合。其中,直接耦合主要来自于闪电产生的准静电场及电磁场的作用,在甚低频 (VLF) 反射信号上表现出快VLF事件, 而间接耦合主要是闪电低频电磁波在传播过程中与磁层相互作用,在辐射带产生闪电诱导电子沉降 (LEP) 现象。雷暴闪电活动能够改变电离层从D层到F层的电子密度分布,影响对流层大气和电离层之间的场,导致中高层瞬态放电淘气精灵 (elves) 及红闪 (sprite) 等现象的激发。闪电VLF传输反射信号可用于反演电离层密度的变化,目前已成为一种探测电离层扰动的常用方法,而引起电离层扰动的强度不但和闪电放电参量密切相关,也和闪电放电过程、类型有关。该文重点阐述了闪电放电与电离层直接耦合和间接耦合作用以及导致的相关现象。
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-05-17
  • 修回日期:  2016-07-05
  • 刊出日期:  2016-09-30

雷暴闪电放电活动对电离层影响的研究进展

  • 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室/雷电物理和防护工程实验室, 北京 100081

摘要: 雷暴中的闪电放电能够产生强静电场以及电磁辐射场,从而对空间电离层产生重要影响,引起电离层电子密度分布的扰动。研究表明:闪电放电引起电离层扰动的方式有两种:直接耦合和间接耦合。其中,直接耦合主要来自于闪电产生的准静电场及电磁场的作用,在甚低频 (VLF) 反射信号上表现出快VLF事件, 而间接耦合主要是闪电低频电磁波在传播过程中与磁层相互作用,在辐射带产生闪电诱导电子沉降 (LEP) 现象。雷暴闪电活动能够改变电离层从D层到F层的电子密度分布,影响对流层大气和电离层之间的场,导致中高层瞬态放电淘气精灵 (elves) 及红闪 (sprite) 等现象的激发。闪电VLF传输反射信号可用于反演电离层密度的变化,目前已成为一种探测电离层扰动的常用方法,而引起电离层扰动的强度不但和闪电放电参量密切相关,也和闪电放电过程、类型有关。该文重点阐述了闪电放电与电离层直接耦合和间接耦合作用以及导致的相关现象。

English Abstract

    • 由于受地球以外射线 (主要是太阳辐射) 对中性原子和空气分子的电离作用,距地表 60 km以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态,其中部分电离的大气区域为电离层。电离层从低到高依次分为D层、E层和F层,是无线通讯信号传输、航空航天导航的重要媒介,能够对长波进行反射,对短波进行吸收,受电离层影响的波段从极低频 (ELF) 直至甚高频 (VHF)。电离层变化能够引起无线通讯电磁环境的变化,从而影响无线通讯信号的质量和航空航天导航的精度。随着通讯和航空航天事业的飞速发展,对电离层影响因素的研究引起了越来越多的关注。

      影响电离层的因素有很多,其中地球低层大气中的过程,如雷电活动、火山喷发、剧烈天气过程、声重力波等,能够以不同方式影响电离层。这种低层大气和电离层之间通过动力学、电学和光化学的相互作用问题成为近年来人们非常感兴趣但并未十分了解的重要课题[1],雷暴及其闪电对放电电离层的影响就是其中的一个热点。雷暴中的闪电放电,主要分为云闪、正地闪[2]和负地闪,包含初始击穿、先导、回击、M分量等多种不同尺度的放电过程[3-10],具有大电流、强电磁辐射的放电特征,其产生的辐射场峰值在电离层高度能达到甚至超过15 V/m[11],大大超过了大气中某些成分的电离和激发光辐射阈值,从而对电离层产生显著影响。目前已经发现电离层的不同层 (D层、E层、F层等) 均能够受到雷暴中闪电放电的影响[12-14],而电离层D层作为电离层最底部的部分,受到对流层中雷暴的扰动作用更为显著,一些观测中已经发现电离层D层在雷暴条件下闪电放电的强扰动现象[15](电子密度的变化高达100%)。

      目前,国际上尤其是美国已经开展了雷电对电离层影响的广泛研究,主要涉及到雷电引起的电离层变化特征、观测方法、相互作用模式以及引起的中高层大气放电现象等方面[16-21]。然而,我国在这方面的研究仍较少,研究主要集中在雷电和电离层相互作用引起的中高层大气放电方面[22-23]以及雷电电磁脉冲对电离层影响的模拟研究[13, 24]。目前基于站网记录闪电VLF/LF信号的电离层D层探测技术和方法也已经开始在国内构建,其初步观测结果清晰展示了电离层D层对太阳耀斑活动的响应[25],未来有望开展雷暴放电对电离层影响的试验观测研究。本文综述了雷暴中闪电放电对电离层的广泛影响,重点阐述了闪电放电与电离层直接耦合和间接耦合效果以及导致的相关放电现象。

    • 闪电和中层大气、低电离层的耦合有两种方式:间接耦合和直接耦合。其中间接耦合的典型代表为闪电诱导电子沉降 (LEP) 现象。LEP是闪电影响电离层的最直接表现之一,也是最早发现并研究最为广泛的闪电对电离层影响事件,表现为闪电发生时电离层电子密度的明显变化。

      通过火箭及卫星的探测已观测发现了LEP和闪电放电的相关性。采用火箭携带的探测装置,Rycroft[26]在Petrel火箭飞行过程中观测得到了能量电子密度在投掷角6°~120°瞬态增加,增加倍数为准稳态密度的20倍,发现电子密度的增加和哨声紧密联系,从而佐证了闪电和辐射带电子的相关性。Goldberg等[27]利用火箭同步观测了晚间闪电放电和电子沉降数据,发现闪电引起的大于40 keV的电子沉降能量和通量远远大于由于21.4 kHz VLF信号传输引起的电子沉降,结果证实了闪电能够激活磁层的电离辐射源,从而影响局部中层大气电结构。进一步利用卫星全天候观测的优势,卫星上携带的观测设备对LEP事件给出了更多的观测结果。Voss等[28]首次报道了低轨S81-1/SEEP卫星从地球辐射带观测到大量的闪电引起的电子沉降的个例,这些事件和Palmer地基观测站观测到的哨声一一对应,证实了全球的强LEP事件分布是和闪电活动紧密相关的,电子通量超过背景能量 (45~200 keV) 两个数量级。他们于1998年进一步研究发现LEP事件被哨声引起,一次LEP事件能够消耗影响区域0.001%的粒子[29]。Blake等[30]使用SAMPEX卫星观测资料研究发现,在150 keV~1 MeV能量范围内的损失锥电子通量直接和雷暴相关。Inan等[31]使用DEMETER卫星的观测资料发现,LEP在100~300 keV范围内直接和地基观测系统探测到的闪电数据相关,当卫星经过雷暴上方时,LEP的通量会显著提高。

    • 闪电放电产生的VLF信号在地球-电离层传输过程中能够携带传输路径的信息。最初很多研究人员发现VLF信号的扰动和磁暴相关。后来,Helliwell等[32]发现长距离传输的VLF信号幅度和信号突然变化,常常伴随着闪电引起的哨声。他们认为哨声能量传输进入电离层时,电离并改变了地球-电离层波导特性。当VLF信号通过电离层传播时,电离层由于LEP导致的电子密度改变必将导致VLF传输路径的电特征发生变化,从而改变了VLF反射信号幅度和相位,因此, 可以利用发射的信号、接收到的信号以及传输路径特征来反演LEP。该探测方法具有成本低、容易实现的优势。Inan等[33]利用VLF信号探测首次发现了几十例LEP事件和单独云地闪放电事件存在的直接的相关性。Burgess等[34]在南北半球进行了电离层扰动的同步观测,结果显示两个半球都能够被同样的闪电事件影响。

      采用VLF信号对电离层进行探测的最著名的大型探测装置是电离层闪电全息成像阵列[35],通过分布式多个VLF测站,对闪电伴随的电离层的扰动进行深入研究。该阵列覆盖了美国中西部雷暴影响的绝大部分区域,连续观测华盛顿、缅因州、夏威夷、波多黎各等发射站发射的VLF信号,从而对LEP事件进行成像研究。目前,作为大型科学装置,该阵列已经获得了丰富的科研成果,给出了LEP事件特征的定量估计。Johnson等[36]使用电离层闪电全息成像阵列 (holographic array for ionospheric lightning, HAIL) 精确测量了沉降区的尺度和位置,伴随着纬度的增加,电子沉降和闪电回击的延迟也增加,该观测结果为斜向哨声传输提供了证据。Clilverd等[37]使用南极地区的VLF信号接收阵列研究估计得到的沉降带的尺度为纬度方向600 km,经度方向1500 km。斯坦福大学的Peter等[38]使用HAIL研究了飓风伴随的LEP事件,并未发现相比于伴随其他雷暴系统的闪电,伴随飓风的闪电更能引起LEP事件。Peter等[39]通过比较HAIL探测到的LEP事件和模式模拟的LEP对应的电子密度的扰动,发现85 km处D层电子密度提高约为15%。

    • LEP现象与闪电低频VLF信号传输过程中磁层相互作用密切相关。闪电放电激发的宽带VLF信号,该信号大部分在地球-电离层波导中传播,也有部分能量能够渗透进入电离层并沿着地球磁场线传播进入磁层,与磁层高能粒子辐射带的高能电子相互作用,使高能电子产生回旋运动,并逃逸进入大气顶层 (60~120 km) 与中性大气分子碰撞,形成电子沉降,引起局部电子密度异常。

      目前,对闪电引起的电子沉降过程已有了比较成功且较为一致的描述[40]。普遍认为,闪电产生的电磁脉冲在地球-电离层波导中传播,一小部分能量穿透电离层进到磁层。在磁层,低频哨声波以0.01~0.1倍光速以倾斜于等离子球或沿着波导的轴向传输。在轨道区域,1~10 kHz范围的哨声能量与辐射带中100~300 keV的高能电子相互作用,导致投掷角及能量散射。在大气层上部 (60~120 km) 由于和中性分子碰撞,电子从捕获的轨道散射进入锥形的反弹损失区域。这种爆发式沉降将引起电离层的扰动,表现为电子密度的提高。这种电子密度的提高能够通过电离层对VLF传播信号相位和幅度的改变来探测,或通过火箭 (200~300 km) 和卫星 (300~700 km) 测量。VLF哨声波传播到赤道带以及能量电子从赤道区域传输到低电离层需要较长的时间,一般从闪电回击到VLF幅度及相位开始发生改变的时间延迟大约为1 s,这也成为了采用VLF信号探测辨别LEP的一个关键参量。其中, 哨声波的传播方式能够一定程度上影响电子诱导沉降位置。当哨声波倾斜传播时,电子沉降位置一般在闪电放电正上方为中心的一个宽范围内,而当哨声波沿着波导传播时,电子沉降区域可以不在闪电放电正上方。

    • 当前,闪电引起LEP已获得了较为一致的认同,闪电引起的电子沉降和闪电放电参量有很紧密的联系,但LEP与雷暴及闪电放电参量的定量关系以及时空精细化相关性研究仍比较有限。Clilverd等[41]发现仅仅超过70 kA的回击能够产生可探测的LEP事件,探测到的VLF波动信号幅度、沉降通量和闪电电流成正相关。Rodger等[42]估计了全球闪电导致的电子沉降的效果,他们使用沉降通量的估计值和全球闪电频次估计了全球的平均沉降速度为3×10-4 ergs·cm-2·min-1,激活区域的峰值是6×10-3 ergs·cm-2·min-1

    • 相比于闪电引起的LEP事件 (其反射信号延迟时间大于1 s),快 (早) VLF事件是对流层闪电产生的VLF信号与电离层底部直接耦合的结果。Armstrong[43]首次报道了这种闪电反射信号延迟时间小于100 ms的事件,后来Inan等[33]称之为快 (或早) VLF事件,这种事件被认为和闪电诱导的电离层扰动直接相关。Peter等[39]比较了LEP事件和快VLF事件,相比于LEP事件的VLF信号的负向变化,该事件的VLF信号正向变化,上升时间从小于50 ms到2 s。

      已有研究表明, 快的VLF事件与闪电和电离层之间的第2种耦合方式——直接耦合相关。与LEP的产生机制不同,闪电和电离层的直接耦合主要是闪电产生的电磁脉冲 (electromagnetic pulse, EMP) 和准静电场 (quasi electrostatic, QE) 直接作用于电离层。

      发生于雷暴与地面之间的地闪回击具有大电流特征,可产生强电磁辐射,对电离层的影响最早被揭示,Cheng等[44-45]使用闪电回击前后的宽带VLF信号通过散射方式探测了闪电电磁脉冲作用下的电离层电子的密度的波动。Cheng等[44]推测在美国东海岸,由于高强度的负地闪占主导地位,电磁脉冲 (EMP) 引起的电离层D层的扰动更明显。而发生在云内的闪电相对地闪产生的电磁辐射要弱,但其发生位置高,因此,Marshall等[19]提出云内闪电电磁脉冲 (EMP) 能够在电离层D层产生累计的电流效果。这种机制能够解释快和慢的VLF事件。2010年他们提供了更深入的云内电磁脉冲和电离层相互作用的模式,使用VLF传输信号的有限频域差分法给出了电离层的扰动,进一步说明了云闪产生的电磁脉冲也能够导致快的VLF事件[11]。Marshall等[11]模拟了由于地闪放电引起的VLF信号波动,结果显示只有大幅度的电场 (大于30 m/V) 才能够产生VLF扰动。

      另一方面,闪电放电后产生的QE场, 在夜间低电离层的一些高度上, 甚至会大于该区域的大气击穿电场,引起大气的雪崩电离, 使这一区域的电子浓度发生很大变化。黄文耿等[13]采用自洽的准静电场 (QE) 模型,计算雷暴云电荷突然对地放电后QE场大小在0~90 km高度上的分布,结果表明:在63~83 km高度上, 电子平均能量为3 eV < E < 6 eV; 计算的电子数密度的峰值扰动表明, 在65~78 km高度上, 电子的数密度增加, 最大的电离峰值约在74 km处, 大约增加了3个数量级, 比电磁脉冲 (EMP) 的电离效果大得多。电离层电子密度的变化将影响低电离层大地波导中VLF的传播, 增加电波的吸收和降低VLF的反射高度,这种现象已经在试验中得到了验证。Inan等[46]使用人工发射的100 kW VLF信号直接加热电离层,其作用效果和闪电引起的电离层变化效果相似,但闪电引起的电离层加热更强。在此过程中,快VLF事件的慢恢复时间表明有电离现象产生,这可能来源于加热外的其他机理。Cheng等[44]研究推测在美国大平原,由于转移电荷量较大的正地闪常常占优,应该以准静电场 (QE) 影响为主,上述结论并未得到广泛证实。在电离层底部, 雷暴放电的准静电场 (QE) 对电子的持续加热作用可以引起几百公里区域的电子浓度和电导率变化,持续时间低于100 ms、幅度为5~20 V/m (归一化到100 km) 的电磁脉冲会极大提升电离层D区的电子密度,从而导致了最知名的淘气精灵 (elves) 现象。

    • 中高层大气光学现象发生在高度50~90 km,持续时间约为毫秒量级,两类发光现象elves和红闪 (sprite) 被Franz等[47]和Boeck等[48]首次观测到,这些大气发光现象进一步激发了科研人员对闪电和电离层直接耦合的兴趣。

    • 淘气精灵 (elves) 是发生在低电离层85~95 km高度、水平扩展达到200~600 km的圆盘状瞬态光学事件,呈红色,是迄今发现的发生高度最高、水平尺度最大的中层大气放电现象。已有的观测和研究表明,elves和雷暴及闪电放电密切相关[20],其中和闪电电磁脉冲的耦合作用关系更为紧密。为了进一步验证elves是否由对流层闪电的电磁脉冲诱发, 1996年美国斯坦福大学一个研究组[49]利用一套阵列光学系统首次揭示了elves光学亮度以超过光速的速度向周边扩展的现象,并推测elves只与对流层诱导地闪回击的电磁脉冲场强度有关而与极性无关[50]。Cho等[51]的两维模型以及Marshall等[11]的三维模型显示闪电电磁脉冲明显改变下部电离层密度,扰动持续时间为10~100 s。三维模式也进一步显示三维云内水平放电也可能影响下部电离层。Wu等[52]建立了雷暴放电产生的电磁场在对流层-低电离层之间耦合的时变模式,并用模式研究了elves现象的时空特征。模拟结果表明:雷暴放电产生的电场包括准静电场和辐射场, 其中由放电电流脉冲产生的辐射场是产生elves现象的直接原因。辐射场的电场强度分布与偶极辐射产生的电场强度的分布相似, 在雷暴放电的正上方电场较弱, 在地面附近辐射电场较强。Mende等[53]在多个频段观测到elves现象,估计在elves区域电场降低200 Td (1 Td = 10-21 V/m2),从而在150 km半径、10 km厚的范围内形成200电子/cm3的电离。这是首次测量闪电电磁脉冲直接作用下的下部电离层电离。

    • 闪电电磁脉冲和电离层的相互作用也是另外一种中高层大气放电现象红闪 (sprite) 的一个形成原因。Inan等[21]发展了第1个研究闪电作用下电离层的加热和电离的模型,在该模型中电场归一化到100 km处的峰值幅度设定为5~20 V/m,考虑了麦克斯韦电子能量分布和由于闪电电磁脉冲的修饰,推测闪电电磁脉冲和电离层相互作用将导致sprite发光。他们于1995年讨论了sprite和快VLF事件的相关性,建议导致sprite准静电场加热的物理过程也导致了底部电离层电导率的变化[54]。事实上,除了上述准静电场因素外,加热方式也部分导致了sprite的产生[55]。Taranenko等[56-57]首次计算闪电在电离层的直接耦合效应,使用一维的动力模型解释了由于闪电电磁脉冲加热电子导致的电子能量分布特征,并进一步计算了由于电磁脉冲导致的光辐射sprite现象。其他大气瞬态光学事件还有蓝色喷流 (blue Jets)、巨大喷流 (gigantic jets) 等,研究发现这些事件的发生均与雷暴的闪电放电密切相关,是电离层扰动的影响所致。

    • 上述电离层直接耦合对电离层底部 (常常在D层) 的作用比较明显,大多数研究也集中在闪电引起的电离层D层的扰动方面。而最近的研究表明,闪电对电离层的作用也能够延伸到更高的高度,对电离层E层和F层产生相应的影响。Davis等[58]报道了具有统计意义的在雷暴上方电离层E层明显增强和减弱。因为电离层E层对无闪电的低压系统没有响应,因此,可以认为E层的变化是由闪电引起的。他们于2008年进一步建议,闪电和电离层E层的波动能够部分归因于闪电向电离层的能量转换或者垂直放电[14]。Kumar[59]研究了雷暴对电离层F层的影响。他们利用2003—2004年8月观测到的中高度的多普勒速度、极光电喷流指数和云地闪回击研究了伴随雷暴的F层垂直移动的问题。结果显示,在闪电发生后3 h,F层垂直移动速度减小0.6 m·s-1。虽然F层的变化一定也会受到太阳风磁场、热层风的影响,但研究表明, 雷暴云电场也对E层、F层变化起一定作用。关于雷暴及闪电放电与E层、F层的关系仍需要进一步深入探讨。

    • 本文综述了雷暴闪电放电活动对电离层扰动的作用。闪电放电和电离层的间接耦合导致了LEP现象的产生,而雷暴及闪电的静电场和电磁脉冲是直接耦合作用的重要原因,导致了elves和sprite等大量中高层大气发光现象。无论是间接耦合还是直接耦合,雷暴及其中的闪电放电都会对电离层的特性,包括电子密度分布、廓线等产生影响,从而一定程度上改变航空、航天及卫星通讯的空间电环境。到目前为止,其研究成果集中体现在闪电放电能够一定程度上改变电离层的特性,多为单点的观测或者模拟结果,大范围的闪电导致电离层扰动的三维成像结果却很少,已成为了一个前沿研究领域。基于对中高层大气发光现象机理的探究,闪电对电离层底部 (D层) 的影响研究较多,而由于观测的困难,闪电对电离层E层及F层的观测及机制研究还很少,需要进一步探讨。国外对闪电在电离层D层的影响方面研究较深入,虽然已对闪电能够引起电离层尤其是电离层底部电子密度改变的现象有了一定了解,但由于电离层D层扰动观测和对应闪电放电特征观测的高时空同步资料的欠缺,导致两者相互关系方面的研究还很不充分,而国内相关研究很少,只是在中高层大气放电方面有一定的观测研究,应进一步加强这一方向的研究工作。

参考文献 (59)

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