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电离层和中间层的闪电效应

M. Hayakawa、Y. Hobara、 T. Suzuki

16.1 概况

在20世纪90年代第一次科学记录出现之前的一个多世纪里，有关于肉眼观察到闪电状通道的报道(参见Rakov和Uman(2003)的专著)。首次记录雷暴云顶部的发光现象，自1990年以来，在某些方面取得了相当大的进展识别、表征和模拟雷暴上空晴空中发生的各种发光光学现象。到目前为止，已有三种一般类型的瞬态发光事件(TLEs)观察:(1)精灵(红色精灵)，(2)蓝色喷流(和蓝色启动器)和(3)精灵。这三种类型的薄层电泳的位置和结构如图16.1所示。一般来说，蓝色的启动器和蓝色的喷流从云顶向上传播在高度为20公里或以下至高度为40公里时，以蓝色的形式呈现锥形结构，如图16.1所示。蓝色起动器向上传播不到10公里，喷射距离可达20公里。蓝色的起动机和喷气机可能是相同的变体现象。接下来，图16.1中的红色精灵是最壮观的发光效果海拔40~90公里。它们通常有向下延伸的淡蓝色卷须从50公里左右到20公里以下的高度。红色精灵表现出广泛的多样性形式和特征(如胡萝卜、栏等)，一般发生在可能的情况下与图16.1中所示的大型正地面闪光相关联。精灵是光学现象发生在电离层下部，可以横向传播超过300公里。人们认为这些精灵是由于闪电引起的电磁效应。从地面观测结果来看，航天飞机似乎已经结束全球大部分地区(在温带和热带地区，在海洋上方和上方土地)。到目前为止，在北美已经成功地发现了彩虹糖，在加勒比地区，在澳大利亚，在日本，在亚洲大陆等冬季风暴关于这些图库已经发表了一些优秀的评论:例如Williams (2001)， Rakov and Uman (2003)， Pasko (2006)， Lyons (2006)，Rycroft(2006)、Williams和Yair(2006)对薄层电泳的观测以及与之相关的闪电放电，罗兰(1998)，苏霍鲁科夫和Stubbe (1998)， Wescott et al. (1998a)和Pasko(2006)为理论和以不同种类的图柱为模型;请进一步咨询其中任何一个详细的描述。当然，正如很容易想象的那样，每个评论都有自己的特点品味基于作者的兴趣和选择。在这一章中，我们尝试付出代价更注重的只是观察和理论的基本部分不同的薄层电泳。最后，我们想指出几个本质上重要的，但尚未解决的是精灵的问题。在这个过程中，我们想强调的是日本冬精灵的重要作用及其伴生的父闪电对精灵问题的一般理解。

图16.1不同类型的TLEs，包括红色精灵、蓝色喷气机和精灵，与下面的闪电放电有关[改编自Rodger(1999)]

16.2 薄层电泳的一般现象学

16.2.1 精灵现象学

精灵(颜色为红色，有时被称为红色)是指在大雷暴上空40至90公里的高度范围内出现的大型发光放电，主要是在强烈的正云对地闪电放电(Sentman等人，1995年；Boccippio等人，1995年)之后出现的(Sentman等人，1995年；Boccippio等人，1995年)。其持续时间为5~300 ms，其光发射强度可达100 kr，最大值为600 kr。

各种术语被用来描述主要在标准帧速率(16.7ms字段)、低光强度视频上观察到的精灵的形式和特征的多样性。一个典型的是lsquo;胡萝卜rsquo;精灵，它的特点是一个相对明亮的lsquo;头部rsquo;区域的红色，有一个红色的辉光或小巧的棒棒糖。如图16.1所示，头顶上方延伸至95公里，头部下方有蓝色卷须，通常延伸至20公里附近的云砧顶(Sentman等人，1995年)。胡萝卜的空间宽度约为25-50公里。另一种基本形式是所谓的“柱状”(或简单的“列”)精灵(wescott等人，1998年b.)，它是垂直方向的圆筒，不显示任何卷须或毛发状结构。这些柱状颗粒的垂直长度约为10 km，直径小于1km。他们往往以一组出现。

最近以标准视频速率对精灵进行的伸缩成像显示出一种惊人的一般垂直精细结构，横向空间标尺从几十米到几百米不等（Gerken等人，2000年；Gerken和Inan，2003年）。据报道，首次高速（1ms）精灵的伸缩成像表明，精灵中像拖缆一样的地层很少持续超过1-2ms（Marshall和Inan，2005）。最近还被证明，在介圈和电离层613高度结构化的区域中，精灵通常表现出上部漫反射和下部闪电效应之间的急剧的高度转换(StenbaekNielsen等人，2000)。许多精灵在其顶部观察到无定形扩散辉光，即所谓的精灵晕（BarringtonLeigh等人，2001）。

利用ELF对产生闪电的喷流进行遥感(极低频)波，并利用已知的电荷矩变化精灵启动的阈值提供了全局发生率的估计值精灵s平均每天720次(Sato and Fukunishi, 2003)。然而,它是已知精灵并不总是与ELF瞬态相关(Price等，其他作者估计80%的ELF签名产生正闪电与精灵有关(傅拉克鲁格和雷辛，1998)，但只是所有精灵中有20%与ELF瞬态相关，这导致了对全球范围内5次/分钟或7200次/天的精灵活动(Fuuml;llekrug and Constable, 2000)。

精灵s的光谱测量表明，第一个正氮带产生观测到的红色精灵(Mende et al.， 1995;汉普顿等人，1996)。

已知这些精灵与大型雷暴密切相关(所谓的中尺度对流系统(MCSs))(里昂，2006)，尽管它们是罕见地由异常小的雷暴触发(Hayakawa等人，2004年,2005年)。直到风暴接近成熟，精灵才会出现发育了相当大的层状降水区。磁控管层状面积通常达到最小(10-20)!103平方公里才显着精灵的活动是可以预期的。

精灵母闪电的峰值电流只是一个很差的精灵指示势(莱昂斯，2006)，但另一个量，所谓的电荷矩变化(Qds)，被发现是一个良好的指示精灵起爆的指标(Huang et al.， 1999;Hobara等，2001;(Williams et al.， 2007)，这可以通过实验来估计来自ELF的观察。在600摄氏度时，有10%的精灵启动，到1000摄氏度时达到90%而且，似乎存在一个最低的阈值日本冬季精灵在日本海的起降距离为200~300公里side (Hayakawa等，2004)。

16.2.2 蓝喷流的现象学

蓝色喷气机从云顶向上发展到约40公里的终端高度速度约为100公里/秒，蓝色喷流的特征是有一个蓝色的锥形(角锥~15”)形状(Wescott et al.， 1995, 1998a)。蓝色启动器可以是

与蓝色喷气机的区别在于终端高度要低得多。他们传播从云顶向上(17-18公里)到最高海拔25.5公里(威斯科特)等，1996,2001)。还有几段蓝色喷气机的地面视频记录电连接雷雨云和较低电离层，是最近才有的报道(Pasko等，2002;苏等，2003)。这类事件现在称为“巨型喷气机”(Su et al.， 2003)。最近对蓝色喷流的摄影观察近距离清晰地显示出蓝色喷流的小尺度流场结构与精灵的报道相似(Wescott et al.， 2001;Pasko等，2002)。

蓝色喷流的持续时间明显长于精灵喷流的持续时间，且为250毫秒的订单。它们的强度也比精灵的强度大，精灵的强度是614年闪电电磁学认为500 kR级蓝色起动器是蓝色的飞机。不幸的是，关于这方面的详细论文很少发表蓝色喷流的特征，但早期的报告(Wescott et al.， 1995)指出在22分钟内观察到56个蓝色喷流，但只有4个喷流检测到。不同于那些主要与正电有关的精灵放电时，蓝色喷流似乎没有明确的极性依赖性。

16.2.3精灵现象学

Boeck等人(1992)报道了从航天飞机上观察到的一个案例热带海洋雷暴上空的气辉层的瞬态变亮在95 km和在明显的水平范围内约500公里。这样的瞬态亮度效应后来被命名为“精灵”。世界卫生组织的Fukunishi等人(1996年)报告了关于这种现象的第一次时间分辨和空间分辨的文献采用高速多通道光度计和图像增强CCD因为精灵很难被传统的视频系统探测到它们只存在于这种视频系统的一个领域。

这些被称为“精灵”的光发射(由EMP源引起的光和甚低频扰动的发射)是漫射光闪烁，持续时间小于1毫秒，发生在75-105公里的高度，刚刚开始的CG闪电放电，但之前的精灵s。精灵是一个快速膨胀的圆环阀瓣和膨胀阀瓣的直径可以达到400公里甚至更大的时间返回行程与精灵光度开始之间的时间差为光速。精灵的亮度从1到这表明较低的电离层被精灵明显地加热了。

精灵的后续测量(Barrington-Leigh and Inan, 1999;Barrington-Leigh et al.， 2001)的研究表明，无论是正回报还是负回报中风被观察到产生精灵，不像精灵的情况主要诱导通过正极闪电放电。精灵似乎与一个重要的消极中风的百分比。一般来说，它们的峰值电流比这些对于精灵来说，代表着CG闪电的冲动性源。精灵父母闪电的典型电荷矩变化似乎是这样的尽管需要数据来确定是否有阈值，但是对于精灵，请使用这些方法可能系统地更低，也可能不是。

16.3 物理机制的一般考虑模型化

本节主要基于罗兰(1998)的优秀综述。三个已经确定了能把能量传输到这些上层的场能量源大气现象如彩虹。从一开始就有一个静电场放电前在雷暴中带电。然后是电磁脉冲(EMP)来自作为电磁天线的返回冲程的传播中、电离层615的闪电效应和准静电场(QE)由于电流移动电荷如下返回的中风。要把这种能量与中性大气连接起来，有两个基本原则已经提出了机制。第一种是低能量(更少)的热加热比一些eV)电子，这是后来扩展到包括热击穿。另一种机制是通过加速MeV电子驱动逃逸崩溃。到目前为止，提出的不同模型所依据的基本物理原理有所下降为这些类别。表16.1是本处的一般共识摘要可能的机制为不同的图库，如精灵，精灵和喷流。

16.3.1 闪电放电引起的高空电场

与TLEs相关的基本问题在于电场的估计在高海拔地区受到雷暴的强度。雷暴能在雷暴上方产生电场，这是由于电荷的缓慢积聚造成的放电前，通过时变电流与回流相关联并通过电流重新分配电荷。回程驱动器当电流连续流动时，辐射场形成近场辐射。云中的初始电荷会在几秒或更长时间内累积。正因为如此，大气的导电性屏蔽了这些电荷只有云层内部或附近的强磁场。EMP的时间尺度要短得多(0.1 ms)，电导率不足以影响电场，直到它们到达电离层。QE字段在毫秒级的时间尺度上发生变化，因此它们受到大气层的微弱屏蔽回流行程可以模拟为均匀的线电荷和电流运动以一个恒定的速度沿着z(垂直轴)vfrac14;bc (c,光的速度)

16.1

目前在回程(钱数,振幅),bfrac14;v / c是规范化的速度，Qz为分布电荷，r为离放电轴的距离，

d是狄拉克函数，H是Heaviside函数。为节省费用，在原址加收额外费用:

16.2

表16.1电场的不同组合和可能的机理为精灵，精灵和喷流的一般解释

如果回程传播规范化速度=0.5 , = 70 选择性热氧化旅行10公里的曲折的通道。这一次确定由返回行程发出的EMP的典型持续时间。这是在观察到的频谱下降到10千赫兹以上。

16.3.1.1电磁脉冲

利用(16.1)和(16.2)可以估计出对应的向量和标量势，从而得到电磁场(电场和磁场)。在远(辐射)场中电场E是横向的(Le Vine and Willet, 1992;Fernsler罗兰,1996),当的角度和是放电原点的距离

16.3

该模型有一个常数，因此在脉冲期间有一个恒定的振幅。由于传统偶极子的存在，磁场不再是原来的磁场（当=0）

我们还必须包括象电流和电荷，并能把地球当作一个完美的导体。对于垂直放电(负对地)，回程从地面向上传播，使在式16.3中,。源场和像场之和得到总辐射场如下(Krider, 1992)

16.4

16.5

当，对于从原点开始的常数r ( lt; 0.7)，电场达到峰值在地球表面上。对于一个固定的高度z=h，相反，场峰值出现在

16.6

相对于垂直方向。=0，其是标准偶极，；=0.5，。对于垂直放电，EMP在环中最大在放电。环的半径大概等于h相对论效应会使半径减小。最大场强

是由

16.7

当是相对论性洛伦兹因子，E是V/m的单位。该字段在放电上方为空。在这些计算中我们迄今忽略了电磁脉冲与离子的相互作用(如反射)。对于水平放电，电流和电磁脉冲旋转90度，地面图像电流向相反方向流动，以便低海拔放电，这两个字段大约取消。当放电高度较大时Hdgt;Zd/，两者分离。对于垂直放电，地面图像使强度加倍，而水平情况下持续时间加倍。对于在电荷上方高度的观察者来说，场峰值在一个角度上。

16.8

关于水平线。对于一个简单的偶极子，最大电场集中在放电上方。=0.

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