基于舒曼谐振三角定位法的全球红色精灵发生地点和发生频率分析外文翻译资料

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Global sprite occurrence locations and rates derived from triangulation of transient Schumann resonance events

基于舒曼谐振三角定位法的全球红色精灵发生地点和发生频率分析

Mitsuteru Sato and Hiroshi Fukunishi 佐藤、福西浩

地球物理学系，东北大学，日本

2003年3月11日收稿；2003年5月12日修改；2003年7月24日定稿；2003年8月27日发表

摘要：我们用日本南极洲的昭和站和日本的女川观象台的超低频（ELF，1~100 Hz）的磁场波形数据估计了全球规模的红色精灵（以下简称闪灵）的发生地点和频率。从2001年6月19日到2002年1月20日这段时间里获得的ELF数据分析，我们辨认出715500个舒曼瞬态发光事件。这些地点和地闪的极性都是通过三角法定位分析得出的，而地闪的脉冲电荷矩是通过标准模式的延展来计算的。从这些结果和一些[由胡等]人研究得出的经验闪灵激发可能性来看，全球闪电精灵发生的频率估计在平均每日720次左右。同时也发现发生频率最高的地区集中在南北美洲和东南亚地区。

1. 引言

自从第一次瞬态发光事件被拍下并被称作“闪电精灵”以来，“闪电精灵”的光学观测就在全球普遍展开。然而，全世界适合观测到这一现象的地点是有限的。并且，能否捕捉到精灵闪电现象取决于当地观测站的夜晚天气条件。基于这些因素，全球闪灵的发生频率并不能较好的得出结论。由云地放低（即地闪）所激发的，低于60Hz的频谱范围内的电磁波能够在全球范围内产生地球电离层空腔的低递减率。这些全球范围内产生的电磁波造成的空腔共振，就被称作是舒曼共振事件（SRs）。与此同时，这些电磁波也被用来监控全球闪电活动。偶尔这些由极强的云地放电激发的瞬态舒曼共振爆发是在背景舒曼信号以上的层级被观察到的。最近一次的舒曼共振现象的观测是由（Boccippio et al.[1995] and Sato et al. [2003]），揭示了闪电精灵的发生与瞬态舒曼共振有着高度的相关性。这种由舒曼共振数据来估计产生闪电精灵的地闪的充放电过程的方法是由（黄等人在1999）发明的。他们指出这些能够产生闪电精灵的云地闪的电荷矩在200—2000C*km。基于 CG的电荷矩函数来估计闪电精灵初值的可能性由胡等提出。他们建议，闪电精灵激发可能性和由舒曼共振数居估计的云地闪电荷矩可以让研究者来估算全球闪电精灵的发生频率。近来，研究表明闪电精灵将会导致中层和低等温层的氮氧化物和氢氧化物的集中区域发生一些化学变化。由于这些化学变化可能在中间大气层对全球气候变化造成一定的影响，所以准确定位全球闪电精灵和明确其发生频率显得尤为重要。在这次研究中，我们采用日本南极洲的昭和站和女川站观测到的1~100Hz电磁场波形数据估计了全球范围内的闪电精灵的发生地点和发生频率。最终得出的结论为，全球估计平均每天发生720次闪电精灵现象。其中较为活跃的地区分布在北半球的北美和东南亚的夏天以及南半球的南美洲和非洲夏季。

2.观测系统和数据

为了测量地磁场南北极、东西向两个方向上的1~100Hz电磁的细微扰动，两台正交搜索并带有前置放大器的螺旋管地磁仪被安装在了距离站5公里的西吊沟岛上。这些传感器的输出信号被38db的主放大器放大并通过PCM测距仪传输到位于西吊沟岛上的昭和站。这些遥测信号被转换成模拟信号，再被（D/A）转换器放大，之后，这些模拟信号和GPS时间码接收器会持续的记录，所有的数据储存在DVD-RAM上。这个系统在2~90Hz频率范围内有一个稳定的96 mV/pt的平面敏感性，并且在它的主要放大器内部分别部有截止频率为1.0Hz和100Hz的低通和高通滤波器。相同的观测系统已经在日本的女川观测中心安装。在这个系统中，从螺旋搜索传感器而来的信号通过200米的信号线传到主放大器，并被放大至46db.为了能量噪音，三个等级的过滤器被安装，这些过滤器的中央削减频率为带有60分贝衰减和Q=2,的50,100,150Hz，此系统的敏感度为60 mv/pT 在2-90Hz的频率范围内，除了这些等级的过滤器的频率，我们分析了从2001年6月19到2002年1月20号的，从昭和站女川站获得的ELF 磁场的波形数据，在这段时间内，虽然有一些数据在每个站是有间隔的但依然是可以获得的，总共达154。我们把这段时间界定为从2001年的6至8月为夏季，从9月至11月为秋季，从2001年的12月至2002年1月份为冬季。

3、闪电发生地点和电荷矩

首先，我们从这些ELF磁场数据中选择了瞬态舒曼事件。从女川站的舒曼事件的波形数据看瞬态舒曼共振事件超过了持续的舒曼背景噪声等级7倍标准误差。另一方面，超过标准背景噪声误差3倍标准的瞬态舒曼事件来自于昭和站的ELF的波形数据。这些7倍、3倍标准的误差放大的典型效应大约等于20Pt。如果来自女川和昭和站的这些瞬态事件的开始时间的误差在 60ms以内，这些瞬态事件就会被拿来进一步的深入分析。图1（a）展示了波形样本。

图1

图1(a)显示了2001年8月12日1651:38.76–39.56 UT由女川站和昭和站获得的磁场数据D组分画出的样本波形图像。图1(b)则显示了同一时段的能量波形图

这些波形数据带有瞬间的初始值并伴有阻尼振荡，是满足上述标准的典型的瞬态舒曼事件，视野范围内的磁场能量可以用公式（1）刻画

采用HD组分数据可以画出如图1（b）,时间间隔为1651:38.96-39.16.

从图中看出，昭和站和女川站的峰值能量的时间差异是确定的，单位为DT,如图1（b）接下来，CG放电的地点和极性激发的瞬态舒曼事件就被确定了，由于SR的传播模式是一种近似电磁传播模式，在传播路径会对应一巨大的圆圈会逐渐成为极轴的直角方向。用水平磁场数据从LISSAJOUS图可以估计出瞬态舒曼事件的波的极轴。

图2

图2（a）展示了瞬态舒曼事件的磁场的HD组分的波形样式通过使用t1到t2时间段的数据点，一张李萨茹 图就如图2（b）所示的那样。从水平磁场数据中可以推导出一条对应于李萨茹曲线的实线，而带箭头的虚线指出了磁场激发路径的方向。采用这种方式，我们也估计出了昭和站瞬态舒曼事件的激发路径。

这次瞬态舒曼事件的波形首先在昭和站被探测到。（见图1（b））因此，我们可以把两个巨型圆圈的交叉点确定为母体CG放电的一个候选地点。更进一步，我们观察到电磁波到达时间的差距，再画出一个巨型的圆圈。如果从这个巨大圆圈上的任意一点以0.8C的激发速度被激发的舒曼波，波形到达昭和站和女川站的到达时间的差异就被定为dt，因此，另外两个交叉点就被确定。最后，这三个交叉点组成一个三角形，而三角形的重心就可以当做是CG放电地点的最合适的地方。然后，我们就可以辨认出母CG放电（ CG）的极性。我们用这种方式分析了全部715,500个瞬态舒曼事件，自动估计出CG地点和极性。

表1

表1展示了从2001年6月19日到2002年1月20日这段时间内，包括陆地和海洋上CG放电时间发生的数量。可以发现，-CG放电事件发生在海洋上的数量高于 CG放电事件。另一方面，在陆地上， CG放电事件的数量要大于-CG放电事件。类似于BURKE JONES 的模型，通过使用公式（2）所示的正常频率模型的扩展模式的，我们可以得到现在的复频谱。

F是复电流矩谱，Hj(f)是复合能量频谱函数，RE是地球半径，h0 是电离层反射边界的高度，M是谐波次数，cosq 是勒让德多项式的次数m和第一度数，q 是 CG放点地点和接收器之间的角距离。特征值n 描述了激发和耗散特性，由伊萨克和琼斯的文章里的方程（5）推导出。为了估计充电时间，我们假设闪电电流时间在时间域内为指数形式。复电流矩谱可以通过将电流波形的傅里叶转换得到，如方程（3）所示。

这里，参数t对应了闪电电流的迟滞时间常数。这个理论电流矩谱 f 拟合了由实验所得的电流矩普。最优的拟合参数t是通过最小二乘法获得的。然后，电荷矩的估算来自(I0dl )_t =(I0t)_dl = Qdl

图3

图3显示了从2001年7月19日到2002年1月20日的这段时间内由地闪激发的瞬态舒曼事件的电荷矩分布用实心条表示；空心条则表示了闪电精灵的发生频率。

采用昭和站的磁场数据，我们估计从2001年6月19日到2002年1月20日能够激发瞬态

舒曼事件的母体CG放电的电荷矩，如图3的阴影块所展示。可以发现，50.9%的 CG的电荷矩在200~600C KM 之间，平均值在686C KM。而对于-CG事件，53.7%的事件的电荷矩在-200~-600C KM之间，平均值在-632C KM。需要说明的是，对于 CG和-CG事件的电荷矩是对称的。

4.全球闪灵事件发生频率

为了从图3显示的电荷矩分布来估计全球闪灵发生频率，我们考虑了HU的结果。基于 CG放电事件，从经验上的闪灵初值可能性。换言之，全球闪灵的发生几率是通过这些闪灵初值可能性的相加，基于昭和站的ELF数据。推演出的 CG事件的电荷矩分布来计算的。

表2

图3中的open 条，展示了估计出的闪灵的发生率。可以发现，闪灵事件的数量估计在110，375。（占探测到的 CG事件的32.3%）。电荷矩的季节变化以及闪灵发生率可以用表2来概括。夏季、秋季、冬季，闪灵平均发生率估计分别为684,733,741次每天。因此，可以得出这段时间内，闪灵事件的平均发生频率在719次每天。

从基于昭和站和女川站的ELF数据得出的CG的发生地点和发生频率，我们可以制作出全球的闪灵发生区域地图，如图4所示。

图4

图4(a)表示了北半球夏季全球闪电精灵的发生地区；图4(b),(c)分别表示北半球秋季和冬季闪电精灵在全球的发生区域。图中的I, II, and III区分别具体表示了估计的闪电精灵发生频率。

图中，闪灵的发生频率是基于2*2的空间分别率上的蓝红区域所表示的。在全球范围内的夏季、秋季、冬季的闪灵发生率分别显示在图4(a),(b),(c)。注意到由“zzz”标志的巨型圆圈（该区域的纬向宽度大致在600公里），说明了在该区内，由于CG激发的电磁波形到达时间差值为零，所以无法确定出CG事件的发生地点。很明显的，闪灵高发生频率的地区集中在主要的闪电集中源区域。尤其在夏季，如图4（a）所示，北半球闪灵发生的频率高于南半球，尤其是北美洲和东南亚地区。

另一方面，到了冬季，南半球的闪灵发生频率在南美洲和非洲就会有一个较为明显的增强。如图4（c）所示。从图4（a）的区域I可以发现，夏季，在北美洲，闪灵的发生频率在113~190次每天；而在东南亚地区（图4（a）中的II区域）分别的，在冬季的非洲地区（图4（c）中的III区域），闪灵的发生率在240次每天。

5．讨论与总结

如表2所列，全球闪灵的发生频率估计在平均720次每天。需要说明的是，考虑到我们选择的只是那些由昭和站和女川站收集到的非常强烈的瞬态舒曼发光事件的ELF波形数据，所以这平均发生频率是一个最小值。如果我们同时也分析在阈值以下的瞬态舒曼事件的话，发生频率会有相当的增长。然而，这样的情况下，具有很细微电荷矩的闪灵可能会被忽略掉，因为他们的确很小而且模糊不清。考虑到任何一个大规模的闪灵事件的影响，很可能平均720次每天的事件会导致巨大影响。这种分析事件发生地点的误差取决于李萨茹图的影响角度的准确性和波形到达时间的差异。我们估计了一个三角方法的平均准确率为1.6mm。这个值不仅是从地面带ELF瞬态捕捉光学仪器观察到的16个闪灵事件得出的，还包括了78个由TRMM 卫星上的LIS传感器探测到的闪电事件而推得的。这里要注意的是，这些误差并不是地理上随机的，这些误差很可能会改变整个区域，而不是简单的数据散点。在胡2002年的研究中，由欧洲地区小数量的风暴观察而估计出的 CG的放电事件的电荷矩分布，被用来估计闪灵的激发可能性。但是这往往是不确定的，因为如果只考虑在世界范围内，电荷矩分布代表所有的风暴事件。这就可能影响到我们对于全球闪灵发生频率的估计。

更重要的是，由-CG导致的闪灵激发可能性至今还没有查明。所以我们需要更多精确的电荷矩分布数据，包括 CG和-CG的放电事件，来减少我们对经验闪灵的激发可能性的判断的依赖。从而能够让我们更好地估计全球闪灵的发生频率和发生地点。这里需要说明的是，图3所展示的电荷矩的分布和FU2002的报告中的是不同的。他们展示了包括 CG和-CG事件的最高频率值大于1000C km。而我们的研究结果表明如此大的频率值出现爱分布的尾端。这种差异可能是由于低估了电荷矩的值引起的，更主要的是，我们假设闪电的时间尺度要比舒曼事件的时间短。对于伴随长时间持续电流的CG事件，方程3就不可以应用于估计它们的电荷矩了。未来，我们的工作是寻找一种更好的方式来更精确的估计电荷矩。

最后，这次研究的主要发现和结论总结如下：

1、能够激发瞬态舒曼事件的 CG和-CG的平均电荷矩分别为-632C km和686C km

2、32.3%的被探测到的 CG事件能够激发闪灵现象。

3、夏季、秋季和冬季的闪灵现象的平均发生平率估计分别为684，733，741次每年

4、夏季，闪灵现象发生的活跃地区在北美洲和东南亚地区；而秋季是在赤道地区；冬季则在非洲和南美地区。

致谢

在昭和站进行的ELF磁

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