闪电放电过程中频率范围在400~1000Mc/s的辐射外文翻译资料

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本科生毕业论文

外文文献译文

文 献 题 目 Radiation from Lightning Discharges in the Frequency Range 400 to 1000 Mc/s

文 献 作 者 M. BROOK AND N. KITAGAWA

文 献 来 源 Journal of Geophysical Research

中文译文

闪电放电过程中频率范围在400~1000Mc/s的辐射

M. BROOKHE和N. KITAGAWA

新墨西哥采矿与技术研究所，索科罗

摘要：同时记录在距离闪电10~30km处的420和850Mc/s的静电场，场变化和辐射场。在这些频率中，辐射的主要来源似乎与击穿过程中先导通道的发展有关。强辐射与阶梯先导和直窜先导以及云内和云地闪中的K变化有关。这些频率中的回击过程并非总能产生可察觉的辐射；约占百分之五十情况下，辐射不存在，或仅在回击发生后延迟60~100mu;s时出现。 这种延迟归因于没有与击穿通道相关联的辐射，直到回击达到云内的通道的顶部。回击前50~150mu;s的直窜先导辐射也表明直窜先导阶段发生的辐射主要是在云中产生的。

引言：Malan（1985）已经表明，在闪电期间产生的静电和辐射场变化的同时记录对于解释放电过程的细节是有用的帮助。除了静电场变化以外，马兰还研究了频率范围3kc/s~12Mc/s的辐射场。Takagi和Takeuti（1963）将这些观察结果扩展到约500Mc/s。然而，它们在较高频率下的相关性由于使用非常短的时间常数的天线而有些不确定。本报告涉及400~1000Mc/s频率范围内的静电和辐射脉冲的详细相关性。 双波束示波器（Tektronix型555）被用于同时记录微波接收器的电场变化和视频输出。Kitagawa和Brook（1960）利用70mu;s时间常数的快速天线获得了电场变化记录。作为对快速天线记录的帮助，第二示波器被用于记录从中速天线（时间常数1ms）和慢天线（时间常数12s）开始的电场变化。从电场仪中获得的电场记录同样也被保存下了下来。

采用可调节范围为400~1100Mc/s的Polarad型R微型遥控器来检测辐射。构建了两个螺旋天线，以覆盖400~600Mc/s和600~1000Mc/s的频率范围。接收机的视频输出（带宽1.5Mc/s）直接馈入示波器，并与快速天线电场记录一起进行照相记录。系统的时间分辨率略高于5mu;s，仅受传输速度的限制。

通过使用制造商给出的接收机灵敏度值以及测量的电缆损耗和SWVR的天线增益和校正值来估计最小可检测信号。在420Mc/s时，最小可检测信号强度计算为7times;10 ^-5 V/m，1.5Mc/s带宽，850Mc/s时为1times;10 v/m。大部分数据是以上述两个频率拍摄的，即420和850Mc/s。

数据：图1至6代表所获得的记录。通过指示接收机噪声电平的带宽跟踪可以容易地区分接收器记录。记录的所有数据都是从记录站10到30公里的风暴进行的。在1963年夏天，从10次风暴中获得了92次闪电的良好记录。

图1：电场变化，E，辐射，R，420Mc/s伴随梯级先导和云对地放电的首次回击

括弧表示示波器上一对匹配的迹线。扫描时间为4ms，E表示电场变化记录；R表示辐射线。 在这种情况下，梯级先导持续时间约为4.75ms。回击过程的电场变化记录是不规则的，但与回击过程一致的辐射是清晰可见的。正电场变化向下偏转；视频幅度向下增加。时间从左到右，从上到下。

图2：跟踪记录电场变化，E，辐射，R，直窜先导和回击（在420Mc/s）

记录到与直窜先导相关的强烈辐射，以及回击过程和回击之后的虚拟无辐射。 正电场变化向下偏转；视频幅度向下增加。 从左到右4ms范围。

图3：追踪直窜先导和回击（850Mc/s）的电场变化，E，辐，R的记录

正电场变化向上偏转；视频幅度向下增加。4ms范围。

图4：追踪电场变化，E，辐射记录，R，伴随直窜先导和回击（420Mc/s）

正电场变化向下偏转；视频幅度向下增加。记录到在回击发生前约120mu;s时直窜先导停止产生辐射。同时记录到在回击过程阶段没有辐射。4ms范围。

图5：云地闪伴随K变化的420Mc/s的典型电场变化，E，辐射，R

4ms范围。

图6：典型云际闪的电场变化，E，辐射R（850Mc/s）

仅显示了初始和非常活跃的放电部分。指示接收机噪声的宽线迹是视频振幅，向下增加。

4ms范围。

结果：420和850Mc / s辐射与电场变化的关系似乎非常相似。因此，随后的结论同样适用于两种发射频率。

（a）梯级领导。梯级领导是微波辐射的重要来源。通常，电场变化记录上的所有较大的脉冲都伴随着辐射脉冲。 微波脉冲的持续时间远小于击间过程所需时间。虽然在回击发生之前几毫秒的时间段有时会显示连续发射，但在初始击穿阶段之间的间隔间隔似乎没有可检测的连续辐射（图1）。

（b）直窜先导。直窜先导过程是微波辐射最强的来源之一。在直窜先导阶段发射辐射的持续时间几乎总是比引路的直窜先导电场变化过程更短。这种行为在回击过程之前的时间是非常明显的：直窜先导辐射经常在回击发生前50~150mu;s内停止发射。直窜先导的辐射通常是连续的，但是具有可变的幅度。

有时在连续活动之上存在持续时间50~80mu;s的几个强脉冲。

（c）回击过程。来自这些频率的回击中的辐射强度在一个很宽的范围内变化——有时很强但通常是很弱或不存在的。在大约百分之五十的情况下，辐射并不伴随回击发生，而是出现在回击后的60~100mu;s。

（d）K变化。在云内和云地放电中发生的K变化过程是微波辐射的另一个强大的来源。在天线记录上显示持续时间为500~750mu;s的K变化通常产生几个短的辐射脉冲以及较低幅度的连续发射。更强的K变化辐射脉冲通常具有相当短的持续时间（50~100mu;s）。在云对地放电中，只有持续时间高达100mu;s的偶尔的辐射脉冲才会记录在较大的K变化之间的间隔中。在这段时间内，没有证据表明连续发射超过接收噪声。

Malan（1958）报道的回击后5~20ms的非常安静的时期在这些较高频率下并不特别明显；事实上，回击过程的整个时期似乎相对平静，除了偶尔发生K变化。但发现了一个在回击后12ms内发生许多辐射脉冲的例外。

（e）云内放电。 在云内放电期间发射的辐射似乎与云对地放电一样强烈，有时更强烈。绝对连续和强烈的脉冲发射与云放电的初始部分相关联。 非常活跃的部分产生大量和频繁的辐射脉冲，最终或J型部分产生与在地面放电中发现的K变化辐射相当的K交替辐射脉冲。

讨论：我们的研究结果强烈地表明，雷电的微波辐射主要与先导通道的形成有关，即与击穿过程有关。必须认识到由源电场方向引起的接收辐射强度的变化，我们认为，通过使用螺旋天线这种影响在本研究中被最小化。同样值得关注的是，如通常缺乏与回击相关的辐射所证明的那样，单独的高频电流增加并不总能造成微波区域强烈的辐射。

在超过50的情况下，很少或根本没有微波辐射与回击的观察表明，当辐射存在时，辐射起源于适当的云高而不是信道。在回击阶段后频繁出现60~100mu;s的辐射表明，击穿在通道顶部的云中进行。击穿可能与回击阶段完成时在通道顶部形成大的诱导正电荷有关。这个过程正如Malan和Schonlan（1951）提出的描述连续回程之间的J过程一样。在云中引起的正电荷和残余负电荷之间建立的高电场导致电荷分解过程的破坏和继续。通过对回击穿过4km通道长度所需时间的计算表明，从回击起始到通道顶部的增强场的建立之间存在80mu;s的延迟。计算所得的延迟时间与回击始发至微波辐射发射之间的测量值一致，均为60~100mu;s。然而，值得注意的是，辐射持续时间相对较短，约为100mu;s，此后无可见的辐射表明了持续的流光过程。当然，这一结论必须考虑到接收噪声可能会掩盖K变化与回击间的间隔中可能存在的较弱的辐射的情况。

仔细检查的数据揭示了有趣的结果，直窜先导辐射几乎总是在回击前50~150mu;s立即停止。若假设直窜先导的尖端或直窜先导通道是微波辐射的主要来源，那么这个结果就难以解释。相反，与回击一样，我们被迫断定辐射源主要与云中先导通道的形成有关，并且在直窜先导到达地球之前，这种活动减少到非常低的水平。另一方面，与梯级先导的发展相关的辐射通常存在于回击之前的整个时间段内。在这种情况下，由于每个阶段伴随着辐射脉冲，所以至少一些辐射可能是伴随通道的发展而形成的。

致谢 这项工作是由海军研究办公室的地球物理科和大气科学部，国家科学基金会，美国国家科学基金会资助GP-1672支持。

参考文献：

Kitagawa, N., and M. Brook, A comparison of intracloud and cloud-to-ground lightning discharges, J. Geophys. Res., 65, 1189-1201, 1960.

Malan, D. J., Radiation from lightning discharges and its relation to the discharge process, Recent

Advances in Atmospheric Electricity, 557-563, Pergamon Press, 1958.

Malan, D. J., and B. F. J. Schonland, The electrical processes in the intervals between the strokes

of a lightning discharge, Proc. Roy. Soc. London,A, 206, 145-163, 1951.

Takagi, M., and Tosio Takeuti, Atmospherics radiation from lightning discharges, Proc. Res.Inst. Atmospherics, Nagoya Univ., 10, 1-11, 1963

(1964年1月9日收到手稿)

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