通过卫星光学测量计算闪电电流矩波形外文翻译资料

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通过卫星光学测量计算闪电电流矩波形

Toru Adachi,Steven A. Cummer,

从2004年7月到2007年6月，FORMOSAT-2/ISUAL可见光分光光度计和Duke磁力仪观测到12次闪电的清晰光学信号和射频信号。其中的10次，归一化到3000km距离的777.4-nm发光度的光与电流几乎成线性相关，比例因子是0.82 MR/kAkm。该结果提供了一种新型方法来测量远处闪电的电流矩，这非常有利于通过卫星光学测量掌握精灵的产生。剩下的2个事件有异常的大比例因子3和8 MR/kAkm。两个图像一致的显示了两次明亮的闪电核心，这表明复杂云内闪过程有时会影响光学射频辐射。

1.引言

精灵是发生在雷暴云之上的,它们被称为瞬态发光事件。现在人们普遍认为，雷电引起的准静电场是精灵的动力。最近，也有人提出瞬变现象在闪电中如M分组过程中的作用。为了阐明精灵与闪电之间的电动力学耦合过程，以往的实验研究表明闪电电流矩变化（雷雨云电荷转移及其高度）与高空准静电场是线性相关的。本文使用了两种不同的评估技术：sferic分析和Schumann共振分析技术。这些技术显示精灵在600-1000 Ckm的阈值与理论预测大体一致。然而人们发现，在某些情况下，精灵是由很小的闪电充电现象产生的，所以需要对光学和电磁数据进行更多的分析，才能完全理解闪电-精灵耦合过程。

FORMOSAT-2卫星上的ISUAL全面测量了世界各地的精灵和闪电的光学特性。它提供精确的光谱观测，从中可以得出精灵中的电子能量和电场。此外，通过将来自Schumann共振技术的总充电电流变化与由ISUAL观察到的光度学行为相结合，Adachi等人导出了雷电流瞬间的变化，并发现它们与晕圈和/或精灵的产生有着密切的关系。这些研究是基于这样的假设：云照度的光学特征是闪电中电特性的良好定性/定量指标。为了支持这一假设，Cummer等人在两次闪电事件中发现了ISUAL光度测量和ULF磁场特征中的强相关现象。然而，从统计学的观点来看，光学与辐射的相关性从未在精灵产生闪电的过程中进行过测试，这也是本研究的目的。

2. 仪器和观测

分析了FORMOSAT-2/ISUAL分光光度计数据和Duke磁强计数据，分别推导出了产生精灵的闪电的光发射强度和电流矩。FORMOSAT-2卫星在高度为891公里的太阳同步（9:30 - 21:30 LT）极轨道上飞行，并载有称为ISUAL的科学有效载荷。ISUAL由带有六色滤光轮，六色分光光度计（SP）和双色阵列光度计（AP）的成像器组成。 它观察地球肢体方向上的闪电和TLE，并首次以精确的光谱信息揭示它们的全球分布。在本研究中，利用ISUAL SP数据推导出了闪电的光学发射强度。SP由六个涵盖不同波长范围的通道组成，而通道5（sp5:774–785 nm）主要观测在777.4 nm处的闪电原子氧发射线，这是本分析的关键。所有的光度计通道都有一个5度（垂直）times;20度（水平）视野，时间分辨率为100毫秒。通过对ISUAL AP数据的分析（这里没有显示），发现在SP5的数据中，精灵的排放量还不到1%。对噪声水平的仔细检测表明，光度的最小可靠振幅可能是几个MR。 这里使用的其他数据是由两个正交磁强计记录的，这两个正交磁强计在Duke大学（35.975 N，79.100 E）连续运行，测量雷电引起的磁场波动。线圈的频率范围为0.1 Hz至500 Hz，因此可以可靠地测量缓慢变化的持续电流。GPS定时提供了准确识别ISUAL检测到的事件所需的准确度。通过分析磁场数据，我们推导出因时间分辨率受传感器带宽的限制，闪电的垂直电流矩的变化。在这里，这个研究的最小可靠振幅可能是2-5个kAkm。仔细分析表明，通过该方法提取的电流矩波形用二阶低通350 Hz滤波器有效地滤除，使得窄脉冲有效地展宽到大约2ms。这个最小的时间尺度在下面的比较中起着重要的作用。

在2004年7月4日至2007年6月23日期间，ISUAL在Duke磁强计的检测范围内观测到72个精灵事件，其中12个事件在SP5数据和磁力计数据中都具有足够的质量。每个闪电事件的位置是根据成像仪数据通过计算云照度视线的三维向量以及假定云照度高度为10 km，误差为plusmn;5 km来估算的。由矢量计算精度和云高假设引起的定位误差相较经度0.4度和纬度0.2度更优，并且不影响本研究得出的结论。

图1所示。2006年8月13日，在06:32:28（UT）观察到的典型的闪电发生的闪电事件。（上图）闪电和精灵的连续图像。（中）Duke大学的磁场波动。（下图）对777.4 nm的光度和电流矩变化的比较。

3. 相关性与一致性缩放因子

2006年8月13日06:32:28（UT）观察到的一个典型的产生精灵的闪电事件如图1所示。图1（上图）显示了闪电和TLE的连续图像，这些图像通过一个宽带红色（633-751纳米）滤波器获得，曝光时间为29 ms。在这些图像中大致可以看到由闪电放电所照亮的云闪的时间变化。在第二帧中，可以识别出明亮的云照明，这可能是由于返回行程和精灵光晕造成的。闪电亮度在下一帧中恢复，随后在第4帧中增加到与第2帧中第一次闪电相当的水平。结构化的精灵排放可满足第二次闪电的速度并缓慢消失。图1（中）显示了Duke大学所观察到的磁场扰动。在与顶部显示的成像器数据一致的时候发生三次闪电感应。图1（下）比较了由Duke磁场数据计算的电流变化的时间演变和由ISUAL SP5观测到的777.4-nm光度。为了定量比较，采用MODTRAN-4模型对大气透射率进行校正，应用包括灵敏度和入射角依赖性在内的仪器功能，并归一化到3000km的源观测器距离，得到绝对光度。在这项工作中，对于低振幅，缓慢变化的部分，用512点（= 51.2ms）的汉明窗对光学数据进行滤波，以有效地减小仪器噪声。在这里，低振幅缓慢变化部分被定义为，在背景噪声中，亮度的时间导数不超过背景噪声中平均值的十倍。由于ISUAL通过闪电通过雷云时发生高散射的现象来观测闪电，所观测到的光辐射已经平滑多达1ms。因此，通过使用带有0.8 ms的汉明窗的附加滤波器，光学数据被有效地加宽到2 ms，与提取的电流波形通过有限的传感器带宽平滑相同。在该图中，很明显，在闪光的高振幅快速部分（2ms时间尺度，10s至100s kA km）和低振幅连续电流（100ms时间尺度）下，光发射与电流矩充分相关 。在电流矩的数据中，一些具有高振幅快分量的振动信号是由于分析过程产生的伪影，我们在下面描述的缩放因子的计算中将排除这些周期。图2显示了2006年2月3日和2005年8月24日观察到的另外两个事件的电流矩和光学排放量的比较。在这里，777.4-nm的光度和电流在快和慢的分量上都是紧密相关的。

图2在2006年2月3日04:45:10和（下图）于2005年8月24日06:24:32中观察到的典型闪电事件（上）。

为了进一步确认统计相关性，并测试在不同事件中是否存在一致的比例因子，所有12个事件都以相同的方式进行分析。图3a是散点图，显示了10个典型事件中光度和当前力矩之间的统计相关性。这些事件是典型的，因为在成像仪数据中只能看到一个明亮的闪电核心，而另外两个有两个闪电核心的外围情况(见第4节)。由于光度计和磁力计的时间分辨率不同，因此两个数据都以50ms的相同时间间隔重新采样，然后绘制比背景标准噪声电平大两倍的所有再现数据点。研究发现，这种相关性仍然极高（r=0.94）。图3b显示了在不同振幅范围内计算的比例因子。平均值保持在0.82 MR / kA-km的附近，plusmn;20％的小变化在标准误差plusmn;50％的范围内。雷电亮度与电流矩几乎成线性相关。这些发现使我们能够基于卫星光学量化来测量闪电的电荷和电流传输特性。

图3。（a）在10个典型事件中，散射图与当前矩的散射图。绘制了超过一万个数据点。（b）按不同振幅方式计算的比例因子。误差条表示标准差。注意，灰色阴影区域的数据将会有严重的错误，因为这个研究的最小可靠振幅可能是2-5个kAkm。

图4。2007年2月25日，在04:56:57（UT）的外围闪电事件。(上)视觉图像。在图1的典型事件中，清晰地发现了两个明亮的闪电核心。（中）Duke磁场数据。（底部）光度和电流矩的比较。这个事件比一般的事件更“明亮”。

在10个典型事件中的7个，精灵的出现时间精确地从ISAP AP数据（未示出）确定。估计的延迟时间td，定义为照明开始和精灵之间的时间差，在0.8到6.4 ms的范围内，启动精灵所需的电流是通过从t = 0到td的电流的时间积分来计算的。在此基础上，利用SIFICS分析方法和基于SPE5数据的亮度电流相关法对电流进行估算。根据磁场数据计算出的电荷磁矩变化范围在200 - 2200 C-km之间，而由ISUAL计算出的电荷变化范围为220 - 2200 C-km。个别事件的差异从0%（低于分析误差）到40%不等。很明显，从两种方法中获得的结果是一致的，并且与过去的经验研究相一致。因此，新的分析方法是一种基于卫星光学数据估算产生闪电的精灵的电流波形和电荷矩变化的有效方法。

4. 外围情况

有2种情况的比例因子明显高于其他10种。图4显示了2007年2月25日04:56:57（UT）的一个外围闪电事件。这个闪电事件有两个明亮的核心：左边是一个更亮的内核，右边是一个较弱的核心。这表明，这一事件包含了更复杂的过程，比如地闪过程，它与地面的撞击点超过一个或在云层水平活动中伴有垂直的地面打击。检测到的比例因子是8MR/kAkm。2006年3月6日04:48:43（UT）的另一个外围事件（未显示）也有一个“明亮”的比例因子3 MR/kAkm，并且还表现出两个不同的闪电光发射核心。由于这两个事件在ISUAL和Duke测量中的发生位置，发生周期和观测器距离并没有与之前不同，所以获得的外部比例因子不是由于观测和分析过程中的误差造成的。

云对地的闪电通道异常的长或高空水平分量可能是闪电有两个明亮核心以及“明亮”比例因子的原因。由于ISUAL从太空观测雷电，因此来自水平云内通道的光学发射比来自低空云对地通道的光发射更亮，其被厚厚的大气和雷云所严重衰减。另一方面，整个通道的水平内云分量在Duke磁电计中是不可辨别的，因为它只能检测源雷电垂直电流辐射的无线电波的水平磁场分量。 因此，在这两种情况下，水平的云内闪电通道可以使光/电比例因子更“亮”。

5. 总结

在标准化到3000km距离的777.4-nm亮度的光和垂直的电流矩波型之间，发现了产生精灵闪电的强相关性。在12个事件中，有10个事件，这两个参数之间的比例因子被发现为0.82 2MR / kAkm，标准误差为plusmn;50%。值得注意的是，这个比例因子的有效性跨越了闪光的相对较高幅度的快速部分（2 ms时间尺度，10 s到100 s kA km）到低振幅连续电流（100 ms时间尺度，几kA km）这一发现为从光学测量中获得闪电电流/电荷矩变化提供了一种可行的新方法。然而，剩下的两个事件分别有更高的3和8个MR / kAkm的比例因子。并且成像仪数据表明存在复杂的闪电过程，这将显著增加光学/射频比例因子。对这些外围情况需要进一步的研究。

参考文献

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