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闪电对电离层偶发E层的强化作用
C. J. Davis1 amp; C. G. Johnson1
1.Rutherford Appleton Laboratory, Chilton, Oxfordshire OX11 0QX, UK
雷暴和电离层之间的联系自20世纪20年代中期以来一直被假设[1]。人们提出了几种机制来解释这一联系[2-7]，而来自各种模型[8]和测量的证据[9-14]表明，雷暴云顶和低电离层之间存在大气放电现象。根据几个已观测到的事件[15]，有人提出电离层“偶发E”层——中层电子密度相对较高的瞬态局部斑块，它会显著影响电磁波的传播——电磁波可以被雷暴调制，但这个说法仍需要更正式的统计分析。我们确定了在雷暴正上方中纬度偶发E层的高度具有统计学意义的增强和下降。由于检测到电离层对无闪电的低压系统没有响应，我们认为这种偶发E层的局部强化可以归因于闪电。我们认为闪电和电离层增强的共同位置可以用垂直传播的引力波或垂直放电来解释，引力波把能量从闪电的位置转移到电离层，或者这两种机制共同作用。
1993年至2003年，英国气象局的到达时间差系统[16]用于监测在英国奇尔顿电离层监测站视野范围内发生的闪电。该系统能够识别由闪电红色精灵放电发出的低频电磁波，并能够估计闪电在英国上空5公里以内的位置。电离层每小时的测量是用数字电离层探测仪(数字探空仪)[17]进行的，通过数字电离层探测仪可以发射一系列短波无线电脉冲(通常是100千赫级的1-15兆赫)。当电离层电子的等离子体频率与射电频率相匹配时，就会发生反射。等离子体频率fp(MHz)与电子数密度Ne(m-3)有关，公式为：
在中纬度地区偶发E(Es)层的电离最常见的原因是流星金属原子，这些原子沉积在大约100公里的高度上(参考文献18，19)。这些被电离的原子中有一小部分是相对长寿的(几个小时)，因此它们有可能被潮汐力和风切变集中到薄薄的致密层中[18]。流星雨的局部性质意味着这些层通常是不完整的。 ES层的强度通过两种方式被参数化：通过峰值等离子体频率(普通模式)，foEs，测量层内最密集的电离区和覆盖频率。fbEs，对应于穿透该层最低的频率并因此是最弱贴片中的电子数密度的量度。ES层的高度(从无线电信号的飞行时间获得，假设它通过自由空间)，hEs是从无线电脉冲的飞行时间推断出来的。如果潜在的电离延迟了电磁脉冲的传播，这种表观或“虚拟”高度可以被人为地增加2公里。
本研究期间，3874小时，其中至少有一次闪电事件。在叠加的年代分析中，研究了三个电离层参数160小时的平均行为。这一技术经常与地球物理数据结合使用，识别对给定现象的可重复但微弱的响应[20，21]。ES电离具有很强的季节性和日趋势性[18]，比任何雷电效应都要大得多。这些趋势将主导这项研究，特别是在闪电事件不是随机分布的情况下(大多数闪电发生在夏季下午)。为了最大限度地减少这些趋势的影响，定义了delta;foEs，delta;fbEs和delta;h Es的参数。这是foEs、f bEs和hEs的每小时值与该小时的中值之间的差异(根据每个数据点周围30天的数据计算)。该方法对偏离日趋势和季节趋势变得敏感，而对趋势本身则不敏感。
图1|叠加了闪电和低压事件的年代分析。在a和d中，以黑线形式显示出平均delta;foEs值，并在这些平均值中显示标准误差(根据 每一平均值的标准差除以该平均数中点数的平方根)(用这条线周围灰色阴影区域的宽度表示)在计算delta;foEs时，最好是减去30天的中位数，而不是30天的平均值，因为它对异常值不太敏感。生成的delta;foEs值是正的，因为中央值小于foEs分布的平均值，因为其分布具有较大的正异常值。b和e所示的平均压降为7毫巴(修正为海平面)。每个小时的垃圾箱中包含闪电的数据的分数以c和f表示。每次压力事件包含雷电数据的小时数都受到限制，造成闪电事件分布平缓(f)。
图1a显示了delta;foEs对闪电的平均响应。在闪电后6小时和30小时之后(电离层响应的确切时间可能被数据中的残留日变化所掩盖)。相对于空假设，这些增强在98.1%和99.65%的水平(即偶然出现这些增强的概率分别为0.019和0.0035)。与闪电相关的平均气压(图1b)下降7毫巴。图1c显示了每个小时存储箱中包含闪电的数据的比例。雷暴很少是单独发生的，虽然数据已经安排好，以便在零时总是会有雷击，但在零时前和零时后都可能发生额外的雷击。在图1c中可以清楚地看到24小时雷暴的重现。
以前的一些研究已经研究了空气压力与ES增强之间的关系，结果相互矛盾[4][5][22][23]。为了测试在奇尔顿上看到的ES增强是否是由低压系统的通过引起的，在奇尔顿进行的大气压力读数中发现了1 331起这样的事件。在第二次叠加的年代分析中，研究了ES的后续响应，与每次压力事件同时发生的雷击次数限制在每次事件发生后64小时内少于29次。尽管平均压力变化(图1e)与闪电密切匹配(图1c)，但delta;foEs(图1d)中没有明显的响应是低压事件的结果。Wilson1推测，大的积雨云产生的电离层电场可能足以在没有闪电的电离层高度诱导电离。对于没有闪电的低压事件，ES没有明显的增强，这一事实证明闪电对于显著增强ES层是必要的。有趣的是，delta;foEs中的残留日变化(图1d)并不像ES对闪电的响应那样强(图1a)。即使图1e中的压力事件仅限于时间，其分布类似于雷暴的发生时间分布(多数发生在夏季下午)，但没有明显的日变化分量。 尽管压力事件的日分布不均匀，但还是出现了delta;foEs。因此，可以合理地得出这样的结论：图1a中所见的日变化至少部分是由数据(图1c)内雷暴的24小时重复引起的，而不是由压力引起的。
虽然已发现电离层对闪电的重大反应，但这种平均反应可由小而一致的反应或少数大而占主导地位的反应产生。为了区分这些可能性，我们比较了每一次闪电发生前两天的delta;foEs值的分布情况和随后两天的分布情况。这两种分布(近似为高斯分布)之间的任何差异都表示由于闪电而发生的变化。如果将闪电前的分布从闪电后的分布中减去，这种差异就会很好地显示出来，如图2所示。任何有负总数的箱都代表着与雷电发生相关的delta;foEs值的减少。相反，总数为正数的箱代表了这种delta;foEs值的增加。图2显示了以前较小的|delta;foEs|lt;0.5 MHz的值被增强为0到2 MHz之间的值。闪电后观测到的foEs值比雷击前高2.1%，说明闪电虽然增强了现有层，但很少产生零星的E层。强化电离的机制，如风切变或波作用，必须已经存在。
图2|由于闪电的结果，D敌人的值重新分布。从delta;foEs值的分布中减去闪电事件前48小时的delta;foEs值的分布 闪电发生48小时后。这些分布除以所检查的总时数(每一次分布的雷暴48小时)，每小时发生一次。增长2.1% 在雷击后ES的发生中，正回收箱之和略大于负回收箱之和。
接下来，我们研究了掩蔽频率delta;fbEs，和ES层的高度delta;h Es的变化，与闪电的关系。这些参数的平均响应如图3所示，以及与图2中的直方图等价的直方图。delta;fbEs只有一次增强(在99.2%的水平显著)，大约在雷击后30小时(图3a)。delta;h Es(图3c)下降约1公里，在99.5%的水平上显著下降。这可能表示低估了高度的实际下降值，因为在ES层下方的任何雷电感应电离会延迟用于估计层高度的无线电脉冲。
图3|对雷电覆盖频率和ES层高度的变化。对散发的E覆盖频率delta;fbEs(a，b)和t的3，874次雷暴事件的响应ES层高度，delta;h Es(c，d)。a和c的线条和阴影面积与图1a、d中delta;fbEs和delta;h Es的值分别相同。平均df bes值在闪电后30小时增强。b，d，与图2相同，但delta;fbEs和delta;h Es的分布有变化。同样，我们可以看到，对闪电的平均反应很小，但却是一致的，没有一个事件支配这两种分布。
虽然总压强的变化已被排除为电离层增强的原因，但在这项研究中，闪电相关的波活动可能是原因之一。从云顶到电离层的传播时间为6小时，表示以5m/s左右的速度传播的波，这对于这种重力波的垂直分量来说是典型的。据了解，中层风测量结果超过了模型预测值，这被认为是由于重力波从对流层输送能量所致。
已经提出了一种通过波作用产生ES局部强度的方法[26]。如果这样的机制是通过对现有电离进行水平再分配而使Es局部增强的唯一原因，那么就不会产生额外的电离，而delta;foEs则会发生作用。delta;foEs增加时，delta;fbEs可能会随着层内较弱的片层电离聚集到增强片中而减少。在本研究中未发现delta;fbEs下降。
由于上述机制中水平波长大于垂直波长，因此需要在对流层中产生调制奇尔顿上空电离层的波[26]，调节奇尔顿上方电离层的波需要在水平距离超过100公里的对流层中产生，以便当波到达奇尔顿时，垂直分量可能达到电离层高度。为了找出雷电在奇尔顿上空影响ES的最佳位置，根据雷电的方位和距离，对delta;foEs数据进行处理。没有发现明显的方向依赖性，并且在100km范围内，电离层响应对闪电的距离不敏感，随着距离超过100km而减小。这表明该特定机制不太可能对观察到的增强负责，尽管它不完全排除波浪作用。风暴云上方的对流不稳定会产生垂直传播的重力波，这些波已经在中间层观测到了[27]。电离层中的不稳定性也被证明是通过雷电调节周围电场而产生的[28]，有证据表明，闪电发射的极低频波可以引发更多的闪电[29]。
与红色精灵相关的被称为蓝喷流的光发射被认为从云顶传播到70公里的高度[9]，重力波与其他向上传播的光学波相关联。 在中球中看到了称为“精灵”的特征[10]。从这个高度发射的重力波垂直向ES层传播30公里所需的时间要短得多。测量建议这样的波以大约27°的角度向上传播[10]，并因此在距雷暴15km的半径内到达ES层，这与我们的观测一致的。
风暴云上方电离层电场的测量(通常为20 mV/ m)明显小于在电离物质1中放电所需的估计（超过48mV/m)[13][14]。这个计算没有考虑金属原子的存在，这无疑会降低引起放电所需的电场，因为它们的电离电势明显低于气体物种[30](例如，Na的电离势为5.139 eV，O2的电离势为12.06eV)。
这里的结果显示闪电对电离层Es层有明显的增强作用。这种增强的局部性质证明了所涉及的机制是垂直的，要么是通过放电或波作用，要么是两者的结合。由于闪电而产生的极少数Es层的事实证明，风切变也必须存在。事实上，闪电引发的重力波甚至可以增强这种风切变[29][30]。
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