基于TEROS的自然閃電X射線暴觀測(cè)研究

張雄, 張陽(yáng), 李小強(qiáng), 鄭毅, 曹保鋒, 王宇, 呂偉濤, 李鵬*

1 國(guó)民核生化災(zāi)害防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102205 2 中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081 3 國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司, 武漢 430074

0 引言

閃電高能輻射(Lightning Energetic Radiation,LER)是伴隨閃電出現(xiàn)的瞬發(fā)X/γ射線,根據(jù)具體的發(fā)生時(shí)機(jī)與現(xiàn)象學(xué)特征,大體可分為X射線暴和地球伽馬射線閃(Terrestrial Gamma-Ray Flashes,TGFs)(Dwyer and Uman, 2014;Kereszy et al., 2022;Smith et al., 2018). 其中,X射線暴總是在回?fù)羟跋滦胸?fù)先導(dǎo)的最后階段被探測(cè)到,具有顯著的束流爆發(fā)特征,以及相對(duì)較低的強(qiáng)度和較軟的能譜,被認(rèn)為可能與先導(dǎo)頭部電場(chǎng)中的熱逃逸電子有關(guān)(Cooray et al., 2010;Dwyer, 2004;Gurevich, 1961;Moss et al., 2006),但具體過(guò)程還不清楚.

Moore等(2001)最先在自然閃電梯級(jí)先導(dǎo)中觀測(cè)到持續(xù)1～2 ms的X射線暴.Dwyer等(2005)結(jié)合電場(chǎng)測(cè)量發(fā)現(xiàn),X射線暴通常在首次回?fù)羟凹s1 ms內(nèi)被探測(cè)到,并由多個(gè)伴隨梯級(jí)過(guò)程的分立爆發(fā)組成,單個(gè)爆發(fā)持續(xù)時(shí)間約1 μs,單光子能量不超過(guò)1 MeV且主要在150 keV以下.X射線暴的能譜取決于加速逃逸電子的電場(chǎng),可能與先導(dǎo)的電學(xué)特征直接相關(guān),是揭示LER產(chǎn)生機(jī)制的重要特征參量(Celestin et al., 2015;Xu et al., 2014).Schaal等(2012)結(jié)合蒙卡仿真發(fā)現(xiàn),X射線暴的特征能量可擴(kuò)展至300 keV～1 MeV,源區(qū)光子數(shù)為1011～1012.也有一些觀測(cè)發(fā)現(xiàn)了接近2 MeV甚至更高能量的X射線脈沖,但無(wú)法排除多光子堆積的可能(Hettiarachchi et al., 2018;Hill, 2012;Mallick et al., 2012;Urbani et al., 2021;李小強(qiáng)等,2018).Howard等(2008)利用TOA定位技術(shù)建立了X射線脈沖與電場(chǎng)變化脈沖的時(shí)空聯(lián)系,Urbani等(2021)結(jié)合甚高頻(Very High Frequency,VHF)寬帶干涉儀進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)X射線脈沖與最強(qiáng)的VHF脈沖具有強(qiáng)烈的時(shí)間相關(guān)性,表明 X射線暴與先導(dǎo)發(fā)展,尤其是可能與梯級(jí)先導(dǎo)的形成過(guò)程密切相關(guān).Mallick等(2012)基于對(duì)23個(gè)X射線暴(其中15個(gè)發(fā)生于繼后回?fù)羟?的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),X射線暴的強(qiáng)度似乎與回?fù)舴逯惦娏髡嚓P(guān),但未發(fā)現(xiàn)其與電場(chǎng)變化脈沖幅度的相關(guān)性;此外,并不是在同一次閃電的所有先導(dǎo)過(guò)程,或同一次先導(dǎo)的所有梯級(jí)過(guò)程中都能探測(cè)到X射線,由此認(rèn)為在先導(dǎo)發(fā)展過(guò)程中,即使先導(dǎo)頭部電場(chǎng)超過(guò)熱逃逸閾值(標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下為30 MV·m-1),也不一定能引發(fā)熱逃逸過(guò)程.Montanyà等(2014)、Tran等(2019)和Saba等(2019)報(bào)道了類似的觀測(cè)結(jié)果,即在回?fù)舴逯惦娏髟酱蟆㈤W電通道頭部越亮的先導(dǎo)過(guò)程中,越有可能探測(cè)到高能輻射;但也同時(shí)指出,受探測(cè)距離和先導(dǎo)發(fā)展方向的影響,探測(cè)位置處的X射線強(qiáng)度不足可能導(dǎo)致伴隨的高能現(xiàn)象無(wú)法被觀測(cè)到(Montanyà et al., 2012).

相較之下,TGFs是亞毫秒尺度的持續(xù)爆發(fā)過(guò)程,單光子能量可超過(guò)20 MeV,典型源區(qū)光子數(shù)約1017,并被認(rèn)為主要與云內(nèi)上行先導(dǎo)有關(guān),因此大多通過(guò)衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)行觀測(cè)研究(Fishman et al., 1994;Lindanger et al., 2020; Neubert et al., 2020;Roberts et al., 2018;Smith et al., 2005;Zhang et al., 2021).近來(lái)陸續(xù)報(bào)道了一些地面觀測(cè)結(jié)果,但表現(xiàn)出較大的特征差異.Dwyer等(2012)報(bào)道了首個(gè)與自然負(fù)地閃有關(guān)的TGFs,發(fā)生于回?fù)艉?91 μs,持續(xù)時(shí)間為52.7 μs,并在11個(gè)探測(cè)器上記錄到19個(gè)γ射線脈沖,最大能量超過(guò)20 MeV.Tran等(2015)也在一次地閃回?fù)艏s200 μs后觀測(cè)到持續(xù)16 μs的TGFs,共記錄到6個(gè)脈沖,其中2個(gè)能量超過(guò)5.7 MeV.基于望遠(yuǎn)鏡探測(cè)陣列(Telescope Array Surface Detector,TASD)觀測(cè)到的TGFs,通常出現(xiàn)在負(fù)地閃初始擊穿最開(kāi)始的1～2 ms內(nèi),并由多個(gè)間隔數(shù)十μs、持續(xù)時(shí)間小于10 μs的短爆發(fā)組成,總持續(xù)時(shí)間為數(shù)百μs,源區(qū)光子數(shù)為1012～1014(Abbasi et al., 2017, 2018;Belz et al., 2020).Wada等(2020)和Hisadomi等(2021)還報(bào)道了與云內(nèi)大脈沖過(guò)程(Lyu et al., 2018)有關(guān)的TGFs,但由于探測(cè)系統(tǒng)飽和未能給出高能輻射信息.Ringuette等(2013)和Pleshinger等(2019)在下行先導(dǎo)最后階段觀測(cè)到的TGFs持續(xù)時(shí)間約1 ms,最大光子能量約6 MeV.最近,Kereszy等(2022)在1次繼后回?fù)羟?.1 ms觀測(cè)到TGFs,其持續(xù)時(shí)間為35 μs,最大脈沖能量為912 keV.

由于閃電發(fā)生的不確定性以及大氣對(duì)X/γ射線強(qiáng)烈的吸收衰減,LER的地面觀測(cè)資料相對(duì)有限,對(duì)LER現(xiàn)象學(xué)特征及其與閃電的聯(lián)系等問(wèn)題的認(rèn)識(shí)還比較模糊,且已有研究大多基于單個(gè)輻射探測(cè)器開(kāi)展,存在一定局限性.因此,本文利用自主研發(fā)的陣列式雷暴高能輻射觀測(cè)系統(tǒng)(Thunderstorm Energetic Radiation Observation System,TEROS),設(shè)計(jì)開(kāi)展了自然閃電高能輻射多點(diǎn)同步觀測(cè)試驗(yàn),并于2021年夏季觀測(cè)期成功捕獲3次X射線暴.結(jié)合閃電定位結(jié)果、低頻快電場(chǎng)變化和回?fù)舴逯惦娏鞯荣Y料,從單光子脈沖和束流爆發(fā)兩個(gè)角度,對(duì)3次事件的特征及差異進(jìn)行了詳細(xì)研究,探討了爆發(fā)過(guò)程與梯級(jí)過(guò)程的潛在聯(lián)系、LER現(xiàn)象的普遍性,以及X射線暴與TGFs特征的異同,為深化對(duì)LER現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)與理解提供了重要觀測(cè)依據(jù).

1 設(shè)備與方法

1.1 觀測(cè)設(shè)備

TEROS是由高能輻射探測(cè)單元(Energetic Radiation Detection Unit,ERDU)和遠(yuǎn)程終端單元(Remote Terminal Unit,RTU)組成的X/γ射線探測(cè)陣列(張雄等,2022).2021年夏季,國(guó)民核生化災(zāi)害防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在中國(guó)氣象局雷電野外科學(xué)試驗(yàn)基地(Field Experiment Base on Lightning Sciences, China Meteorological Administration, CMA_FEBLS)廣州從化人工引雷試驗(yàn)場(chǎng)(Fan et al., 2020)布設(shè)了1套4站TEROS,如圖1所示,4個(gè)ERDU依次編號(hào)為ERDU-1至ERDU-4,最大水平間距為100 m.

圖1 TEROS原理示意圖及在CMA_FEBLS的布設(shè)情況

ERDU的配置完全一致,均包含有2路探測(cè)通道,并通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)增益實(shí)現(xiàn)30 keV至10 MeV的X/γ射線分能段同步測(cè)量.輻射探測(cè)器選用直徑和長(zhǎng)度均為7.6 cm的圓柱形NaI(Tl)閃爍體探測(cè)器,利用137Cs、60Co和40K完成了全部8個(gè)探測(cè)通道的能量刻度.X/γ射線在探測(cè)器內(nèi)沉積能量、激發(fā)閃爍光并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后,經(jīng)前置放大器送入高速數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)判別LER疑似事件,進(jìn)而觸發(fā)連續(xù)時(shí)域信號(hào)的數(shù)字化采集,連同GPS觸發(fā)時(shí)間戳一并通過(guò)光纖上傳至RTU供后續(xù)分析.整個(gè)ERDU放置在電磁屏蔽箱內(nèi)并由24 V鋰電池供電,以屏蔽外部電磁干擾.數(shù)據(jù)采樣時(shí)長(zhǎng)為500 μs,采樣率為20 MHz,GPS時(shí)間精度為30 ns.

其他用于分析的資料還有中國(guó)氣象科學(xué)研究院閃電低頻電場(chǎng)探測(cè)陣列(Low-frequency E-field Detection Array,LFEDA)提供的快電場(chǎng)波形和全閃定位結(jié)果(史東東等,2018;張陽(yáng)等,2021),以及中國(guó)電力部門雷電地閃定位系統(tǒng)(Lightning Location System,LLS)提供的回?fù)舴逯惦娏?王宇等,2021).LFEDA是基于傳統(tǒng)快電場(chǎng)變化測(cè)量?jī)x組成的閃電探測(cè)網(wǎng)絡(luò),架設(shè)前均已完成嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定和測(cè)量值訂正,數(shù)據(jù)采集基于浮動(dòng)電平觸發(fā),探測(cè)信號(hào)帶寬為160 Hz～600 kHz,時(shí)間常數(shù)為1 ms,預(yù)觸發(fā)時(shí)間為200 μs,時(shí)間戳精度為100 ns,經(jīng)觸發(fā)閃電評(píng)估的閃電定位精度約100 m.LLS是一種業(yè)務(wù)用的地閃定位系統(tǒng),采用分布式子站測(cè)量雷電低頻/甚低頻電磁輻射信號(hào),基于磁場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度反演地閃回?fù)綦娏?回?fù)舴逯惦娏髡`差在～20%以內(nèi).

1.2 脈沖堆積校正方法

LER具有瞬時(shí)強(qiáng)度大的特點(diǎn),容易引起脈沖堆積問(wèn)題,直接使用原始測(cè)量波形的脈沖幅值會(huì)導(dǎo)致對(duì)X/γ射線能量的高估(Schaal et al., 2012).NaI(Tl)探測(cè)器具有良好的線性響應(yīng),其輸出信號(hào)可認(rèn)為是線性時(shí)不變的,即堆積脈沖是多個(gè)形狀相同,但幅值和到達(dá)時(shí)間不同的脈沖的線性疊加(Mohammadian-Behbahani and Saramad, 2020).基于此,本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于模板匹配的堆積脈沖正向校正算法.其基本思想是通過(guò)大量實(shí)測(cè)脈沖制作歸一化脈沖模板,然后利用該模板從前至后逐一完成堆積脈沖的擬合與剝離.如圖2所示,經(jīng)該方法校正后的波形與原始波形吻合較好,可有效解決脈沖堆積引起的能量信息提取與脈沖計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確問(wèn)題,后續(xù)所有的分析與討論均基于校正后的脈沖開(kāi)展.

圖2 脈沖堆積校正結(jié)果

1.3 LER事件判別方法

LER疑似事件的實(shí)時(shí)判別基于放射性本底統(tǒng)計(jì)漲落規(guī)律實(shí)現(xiàn).經(jīng)實(shí)測(cè),試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)單個(gè)探測(cè)器的本底計(jì)數(shù)率約200 cps,在500 μs時(shí)間窗內(nèi)的本底計(jì)數(shù)期望值λ為0.1.在該時(shí)間窗內(nèi),本底放射性服從泊松分布,即由本底引起N個(gè)計(jì)數(shù)的概率P為

為提高LER捕獲概率,盡量避免遺漏弱事件,觀測(cè)期間將觸發(fā)閾值設(shè)置為4,即在500 μs內(nèi)出現(xiàn)4個(gè)以上計(jì)數(shù)時(shí),認(rèn)為發(fā)生1次LER疑似事件并觸發(fā)數(shù)據(jù)采集,相應(yīng)的本底誤觸發(fā)頻率為13次/天.比較LER疑似事件的各ERDU采集數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),有2次事件同時(shí)觸發(fā)多個(gè)ERDU.另有1次事件在100 μs內(nèi),引起了單個(gè)探測(cè)器的8個(gè)計(jì)數(shù),其由本底引起的可能性為2×10-7次/年.上述3次事件發(fā)生時(shí)刻附近均伴有閃電事件報(bào)告,因此將這3起事件確證為L(zhǎng)ER事件.

2 觀測(cè)結(jié)果與分析

在3次LER發(fā)生時(shí)間附近,LFEDA和LLS均報(bào)告有近距離的負(fù)極性地閃發(fā)生,其中后2次出現(xiàn)在同一次負(fù)地閃的不同先導(dǎo)/回?fù)暨^(guò)程中.按照時(shí)間先后將這3次事件分別記為N01-01、N02-01和N02-02.如圖3所示,3次事件相應(yīng)的回?fù)敉ǖ谰嘣囼?yàn)場(chǎng)1～1.5 km.相較之下,4個(gè)ERDU的間距較小,其引起的觀測(cè)距離變化可以忽略,即可認(rèn)為4個(gè)ERDU處于同一觀測(cè)位置.下面首先分析強(qiáng)度最大的N02-01事件.

2.1 N02-01事件

N02-01發(fā)生于1次多回?fù)糌?fù)地閃(北京時(shí)間2021年5月31日14∶53∶30)首次回?fù)羟暗南滦刑菁?jí)先導(dǎo)最后階段,圖4給出了該事件相應(yīng)的電場(chǎng)變化波形和高能輻射數(shù)據(jù).其中,“0”時(shí)刻為L(zhǎng)FEDA報(bào)告的回?fù)魰r(shí)間,圖中以綠色垂直線進(jìn)行了標(biāo)識(shí).圖4a和圖4e中標(biāo)注的距離分別為L(zhǎng)FEDA測(cè)站和TEROS距回?fù)舳ㄎ稽c(diǎn)的二維直線距離,各子圖的時(shí)間均已按相應(yīng)距離進(jìn)行了修正.如圖4所示,N02-01結(jié)束于回?fù)羟? μs,持續(xù)時(shí)間為322 μs(所有通道內(nèi)的第1個(gè)脈沖與最后1個(gè)脈沖的時(shí)間間隔),是3次事件中最強(qiáng)的1次并觸發(fā)了全部4個(gè)ERDU.相應(yīng)回?fù)敉ǖ谰嘣囼?yàn)場(chǎng)1.5 km,回?fù)舴逯惦娏鬟_(dá)到-71.6 kA,較廣州地區(qū)平均水平(32 kA)高出1倍以上(張義軍等,2013).以圖4中紫色高亮部分為例,輻射脈沖信號(hào)總是在多個(gè)ERDU同時(shí)出現(xiàn),表明其來(lái)自束流爆發(fā)過(guò)程,且與電場(chǎng)變化脈沖也有明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系,是一次典型的由多個(gè)伴隨梯級(jí)過(guò)程爆發(fā)組成的X射線暴(Dwyer et al., 2005;Kereszy et al., 2022).

圖4 N02-01觀測(cè)數(shù)據(jù)

(1)脈沖特征

圖4b—4e中的子圖進(jìn)一步給出了爆發(fā)過(guò)程內(nèi)部的信號(hào)細(xì)節(jié).由于自然閃電距離觀測(cè)點(diǎn)普遍較遠(yuǎn),在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離輸運(yùn)后,到達(dá)探測(cè)位置處的輻射強(qiáng)度(以下簡(jiǎn)稱為到達(dá)強(qiáng)度)顯著降低,單個(gè)爆發(fā)內(nèi)的光子束也因康普頓散射出現(xiàn)了時(shí)間延遲,脈沖信號(hào)表現(xiàn)出單光子特征(Babich et al., 2013;Berge and Celestin, 2019).因此在自然閃電高能輻射研究中,大多基于脈沖信號(hào)進(jìn)行分析(Mallick et al., 2012;Urbani et al., 2021).

N02-01共記錄到218個(gè)脈沖,圖5a給出了所有脈沖的能量和時(shí)間分布散點(diǎn)圖,并以1 μs的寬度繪制了時(shí)間分布直方圖.脈沖信號(hào)在時(shí)間分布上表現(xiàn)出與圖4一致的成簇(束流)特征,隨著不斷接近回?fù)魰r(shí)刻,探測(cè)到的脈沖數(shù)量逐漸增加,單個(gè)脈沖最大能量也有增大趨勢(shì).考慮到首次回?fù)羟暗奶菁?jí)先導(dǎo)發(fā)展速度在接近地面時(shí)可達(dá)到106m·s-1(張義軍等,2016),且連接先導(dǎo)長(zhǎng)度一般為數(shù)十米(郄秀書(shū)等,2013).假設(shè)N02-01的源區(qū)從400 m(回?fù)羟?28 μs)逐漸下降到100 m(回?fù)羟? μs),相應(yīng)的觀測(cè)距離由1552 m減小至1503 m,則其引起的輻射強(qiáng)度變化較小,由此推測(cè)脈沖數(shù)量的增加主要是由源區(qū)高能輻射變強(qiáng)導(dǎo)致(Saleh et al., 2009).隨著先導(dǎo)進(jìn)一步接近地面,高能輻射源區(qū)不斷下降并主要沿先導(dǎo)發(fā)展方向發(fā)射光子,此時(shí)相對(duì)較遠(yuǎn)(1.5 km外)的探測(cè)單元已經(jīng)處于X射線束外(Saba et al., 2019),只能記錄到少量經(jīng)康普頓散射后的較低能量光子.因此,在N02-01的最后階段,并沒(méi)有出現(xiàn)輻射強(qiáng)度的持續(xù)增強(qiáng)(Hill et al., 2012),相反,探測(cè)到的脈沖數(shù)量和單個(gè)脈沖最大能量還有所減小.

圖5 N02-01脈沖的能量與時(shí)間分布情況

圖5b以50 keV的寬度給出了N02-01的能量分布直方圖.探測(cè)到的脈沖能量主要集中在低能區(qū)(500 keV以下),以50～200 keV的居多,單個(gè)脈沖平均能量為0.45 MeV,最大能量超過(guò)3 MeV(圖4e放大子圖的2通道).由于相應(yīng)低量程通道(圖4e放大子圖的1通道)同時(shí)記錄到飽和脈沖,不能排除多光子堆積的可能.進(jìn)一步比較同一ERDU的雙通道數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),部分高能信號(hào)僅出現(xiàn)在其中1個(gè)探測(cè)通道,可確證為單光子.這類脈沖的最大能量為2.2 MeV(圖4c放大子圖).由于光電效應(yīng)截面隨光子能量的增加快速下降,此類高能光子在NaI(Tl)探測(cè)器內(nèi)的能量沉積以康普頓散射為主(汲長(zhǎng)松,2010),因此實(shí)際入射的光子能量可能更高.總體上,N02-01具有較以往報(bào)道(Dwyer et al.,2005;Schaal et al.,2012)更高的單光子能量,與其相對(duì)較大的回?fù)舴逯惦娏饕恢?此時(shí),先導(dǎo)頭部的電子逃逸更加充分,產(chǎn)生的高能輻射能譜更硬、強(qiáng)度更大(Celestin et al., 2015).8個(gè)探測(cè)通道內(nèi)的總沉積能量為99 MeV,單位面積沉積總能量為0.27 MeV·cm-2.需要說(shuō)明的是,類似圖4e中的飽和脈沖一共有5個(gè),均出現(xiàn)在低量程通道,其能量值按相應(yīng)飽和值(～3 MeV)給出.這樣的處理方式雖然低估了這5個(gè)脈沖的能量,但由于高量程通道上觀測(cè)到的最大脈沖能量為3.2 MeV,偏差不會(huì)很大,不影響本文的討論和結(jié)論.

(2)爆發(fā)特征

基于脈沖的分析方法較好反映了X射線暴的到達(dá)能量特征,但如圖4d放大子圖所示,在1次束流爆發(fā)中可能記錄到多個(gè)脈沖信號(hào).為進(jìn)一步研究LER的爆發(fā)特征,探討其與梯級(jí)過(guò)程的潛在關(guān)系,本文基于脈沖間隔時(shí)間將8個(gè)通道記錄的所有脈沖劃分為不同的爆發(fā)過(guò)程.Berge和Celestin(2019)通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),對(duì)于高度為3 km的瞬態(tài)高能輻射源,90%的光子將在最初的1.5 μs內(nèi)到達(dá)1 km外的觀測(cè)點(diǎn).本文觀測(cè)距離遠(yuǎn)小于3 km,康普頓散射引起的時(shí)間延遲更小,采用1.5 μs作為劃分標(biāo)準(zhǔn)是合理的.即當(dāng)相鄰2個(gè)脈沖間隔超過(guò)1.5 μs時(shí),將這2個(gè)脈沖劃為不同的爆發(fā)過(guò)程,如果脈沖間隔不大于1.5 μs,則認(rèn)為這2個(gè)脈沖來(lái)自同一爆發(fā)過(guò)程.爆發(fā)時(shí)間為該爆發(fā)過(guò)程的第1個(gè)脈沖時(shí)間.

基于上述標(biāo)準(zhǔn),N02-01可劃分為30個(gè)爆發(fā)過(guò)程,圖6展示了爆發(fā)間隔時(shí)間和沉積能量(爆發(fā)內(nèi)所有脈沖能量之和)隨時(shí)間的變化.隨著接近回?fù)魰r(shí)刻,爆發(fā)間隔呈現(xiàn)出振蕩減小趨勢(shì),爆發(fā)平均持續(xù)時(shí)間為1.6 μs(爆發(fā)內(nèi)第1個(gè)脈沖與最后1個(gè)脈沖的時(shí)間間隔),間隔時(shí)間為1.7～61.2 μs,平均值為10 μs,與梯級(jí)先導(dǎo)間歇時(shí)間大體在同一水平(郄秀書(shū)等,2013).盡管由于樣本數(shù)量的原因出現(xiàn)了一定波動(dòng),但與前述脈沖特征類似,爆發(fā)沉積能量也表現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì).單個(gè)爆發(fā)沉積能量為0.1～17.7 MeV,單位面積平均沉積能量為9.1×10-3MeV·cm-2,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)爆發(fā)沉積能量與爆發(fā)間隔時(shí)間之間的關(guān)系.

圖6 爆發(fā)間隔時(shí)間(a)與沉積能量(b)隨時(shí)間變化

圖7按照30次爆發(fā)過(guò)程,分別給出了8個(gè)探測(cè)通道的能量沉積情況,圖7b中以散點(diǎn)大小表示沉積能量的大小.各通道記錄到的爆發(fā)數(shù)量和爆發(fā)丟失率(丟失的爆發(fā)數(shù)量/總爆發(fā)數(shù)量)列于表1.爆發(fā)丟失是指某一探測(cè)通道在該爆發(fā)過(guò)程對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi),即第1個(gè)脈沖之前1.5 μs至最后1個(gè)脈沖之后1.5 μs,未采集到有效輻射脈沖信號(hào).由于相對(duì)較低的到達(dá)強(qiáng)度和探測(cè)器對(duì)單光子響應(yīng)的隨機(jī)性(Babich et al., 2013),各個(gè)探測(cè)通道均有不同程度的爆發(fā)丟失,甚至同1個(gè)ERDU內(nèi)的2個(gè)探測(cè)通道也不能總是記錄到同一爆發(fā)過(guò)程.8個(gè)探測(cè)通道的平均爆發(fā)丟失率為51%,其中還有10次爆發(fā)過(guò)程只記錄到1個(gè)脈沖(如圖7中的第1個(gè)爆發(fā)過(guò)程),占比33%;此外,同一爆發(fā)過(guò)程在不同探測(cè)通道上的沉積能量波動(dòng)也較大,這可能是在一些先導(dǎo)或梯級(jí)過(guò)程中未能觀測(cè)到高能輻射的直接原因(Saba et al.,2019),將在第3節(jié)中進(jìn)一步討論.

表1 各探測(cè)通道記錄到的爆發(fā)數(shù)量及爆發(fā)丟失率

圖7 不同探測(cè)通道的爆發(fā)沉積能量

2.2 N02-02事件

N02-02與N02-01發(fā)生于同一次地閃過(guò)程中.如圖8a所示,該事件結(jié)束于回?fù)羟?4 μs,相應(yīng)的電場(chǎng)變化出現(xiàn)了明顯的不規(guī)則脈沖,表明其是1次與不規(guī)則直竄先導(dǎo)過(guò)程有關(guān)的X射線暴(Hill et al., 2012;Pu et al., 2019).相應(yīng)回?fù)敉ǖ谰嘣囼?yàn)場(chǎng)1.4 km,回?fù)舴逯惦娏鳛?38.8 kA.N02-02的輻射強(qiáng)度較N02-01要弱得多,只觸發(fā)了ERDU-1一個(gè)探測(cè)單元,與相對(duì)較小的回?fù)舴逯惦娏饕恢?整個(gè)事件持續(xù)時(shí)間為51 μs,較N02-01小1個(gè)量級(jí),主要與不規(guī)則直竄先導(dǎo)相對(duì)更快的發(fā)展速度(約107m·s-1)有關(guān)(張義軍等,2016).如在回?fù)羟?00 μs,高能輻射源區(qū)(先導(dǎo))高度約1 km,此時(shí)的探測(cè)距離達(dá)到1.72 km,對(duì)于 1 MeV的單能光子,相應(yīng)的到達(dá)強(qiáng)度較最近處的1.4 km小1個(gè)量級(jí)以上,因此更難被探測(cè)到.

圖8 N02-02觀測(cè)數(shù)據(jù)

由于N02-02的到達(dá)強(qiáng)度較弱,ERDU-1內(nèi)并排放置的2個(gè)探測(cè)器可能相互產(chǎn)生遮擋,導(dǎo)致2通道未能記錄到任何信號(hào).1通道共采集到8個(gè)脈沖,且沒(méi)有出現(xiàn)堆積,表現(xiàn)出與N02-01完全不同的單光子模式.單個(gè)脈沖能量為52 keV～1 MeV,平均能量為0.25 MeV,單位面積沉積總能量為0.02 MeV·cm-2,均小于N02-01.N02-02可劃分為8次爆發(fā)過(guò)程,間隔時(shí)間為1.6～22.4 μs,平均值為7.3 μs,略大于不規(guī)則直竄先導(dǎo)的脈沖間隔時(shí)間(5.3～9 μs)(張義軍等,2016),可能與其相對(duì)較弱的輻射強(qiáng)度導(dǎo)致更多爆發(fā)丟失有關(guān).單個(gè)爆發(fā)單位面積平均沉積能量為2.8×10-3MeV·cm-2,單個(gè)通道最大爆發(fā)丟失率為100%(ERDU-1的2通道),平均丟失率為50%.

2.3 N01-01事件

與N02-01一樣,N01-01也出現(xiàn)在1次自然負(fù)地閃(北京時(shí)間2021年5月26日08∶34∶26)首次回?fù)羟暗奶菁?jí)先導(dǎo)最后階段.該事件結(jié)束于回?fù)羟? μs,持續(xù)時(shí)間為489 μs,與N02-01相當(dāng).回?fù)敉ǖ谰嘤^測(cè)點(diǎn)1 km,回?fù)舴逯惦娏鳛?34.6 kA.如圖9所示,整個(gè)事件共記錄到18個(gè)脈沖,并更多的表現(xiàn)出單光子特征,但也出現(xiàn)了2次多通道同時(shí)響應(yīng)的情況(圖9紫色高亮部分),另有1次在單通道內(nèi)產(chǎn)生了堆積脈沖,表明其來(lái)自爆發(fā)過(guò)程,是1次相對(duì)較弱的X射線暴.單個(gè)脈沖能量為97～910 keV,平均能量為0.33 MeV,單位面積沉積總能量為0.03 MeV·cm-2.N01-01可劃分為13次爆發(fā)過(guò)程,間隔時(shí)間為6.9～209.7 μs,平均值為40.6 μs,平均爆發(fā)丟失率為71%.先導(dǎo)發(fā)展期間相對(duì)弱的電場(chǎng)變化以及較低的回?fù)舴逯惦娏?表明此次閃電過(guò)程偏弱,先導(dǎo)頭部電場(chǎng)偏小,單個(gè)爆發(fā)內(nèi)的高能輻射強(qiáng)度較低,導(dǎo)致更多伴隨梯級(jí)的爆發(fā)過(guò)程無(wú)法被探測(cè)或同時(shí)探測(cè)到.因此,即使其具有較N02-01更近的探測(cè)距離,但記錄到的爆發(fā)過(guò)程仍然偏少,相應(yīng)的爆發(fā)間隔時(shí)間較長(zhǎng),爆發(fā)丟失率也偏高.

圖9 N01-01觀測(cè)數(shù)據(jù)

值得注意的是,N01-01的回?fù)舴逯惦娏魈幱趶V州地區(qū)平均水平,是1次一般強(qiáng)度的負(fù)極性地閃.其成功觸發(fā)1 km外的2個(gè)ERDU,另有2個(gè)ERDU未能被觸發(fā),且觸發(fā)通道計(jì)數(shù)均為6,略高于設(shè)定的觸發(fā)閾值(>4),表明N01-01的到達(dá)強(qiáng)度接近TEROS探測(cè)下限.即對(duì)于一般強(qiáng)度閃電,單個(gè)ERDU的觀測(cè)覆蓋半徑約1 km.采用同尺寸探測(cè)器的Mallick等(2012)和Tran等(2019)發(fā)現(xiàn),在1 km范圍內(nèi),約61%～82%的負(fù)地閃伴有可探測(cè)的X射線暴.這表明X射線暴可能是伴隨閃電的普遍現(xiàn)象,同時(shí)也為后續(xù)TEROS的擴(kuò)展部署提供了參考依據(jù).

3 討論

如前所述,3次LER事件均于下行負(fù)先導(dǎo)的最后階段被探測(cè)到,是典型的X射線暴,并表現(xiàn)出顯著的特征多樣性,表2列出了3次事件的主要觀測(cè)結(jié)果.一般認(rèn)為,X射線暴來(lái)自于先導(dǎo)頭部強(qiáng)場(chǎng)中的熱逃逸過(guò)程,是伴隨梯級(jí)形成(或空氣擊穿)的間歇性爆發(fā)現(xiàn)象,且先導(dǎo)頭部電場(chǎng)(電勢(shì)差)越大,越有利于逃逸過(guò)程發(fā)展,相應(yīng)的高能輻射越強(qiáng)(Celestin et al., 2015).這在前文的分析中已得到進(jìn)一步證實(shí).如回?fù)舴逯惦娏髯畲蟮腘02-01具有最強(qiáng)的高能輻射特征,但仍缺乏高能輻射與梯級(jí)過(guò)程聯(lián)系的直接證據(jù).盡管由于LFEDA測(cè)站較遠(yuǎn)以及觀測(cè)數(shù)據(jù)表現(xiàn)出的爆發(fā)丟失問(wèn)題,本文尚不能將X射線暴的爆發(fā)過(guò)程與閃電先導(dǎo)的梯級(jí)過(guò)程一一對(duì)應(yīng)進(jìn)行定量分析.但如圖4a和圖6b所示,單個(gè)爆發(fā)過(guò)程強(qiáng)度與電場(chǎng)變化表現(xiàn)出總體一致的增強(qiáng)趨勢(shì);同時(shí),隨著接近回?fù)魰r(shí)刻,電場(chǎng)變化趨密,爆發(fā)間隔也在逐漸減小(圖6a);此外,圖4a中電場(chǎng)變化較大的13個(gè)脈沖(P1—P13)均伴有爆發(fā)過(guò)程.上述觀測(cè)事實(shí)均表明電場(chǎng)變化越強(qiáng)的梯級(jí)過(guò)程可能伴隨更強(qiáng)的高能輻射爆發(fā)過(guò)程.未來(lái)可以針對(duì)爆發(fā)過(guò)程與梯級(jí)過(guò)程的直接聯(lián)系,開(kāi)展更為精細(xì)的高分辨多手段地面綜合觀測(cè),以進(jìn)一步揭示X射線暴的產(chǎn)生機(jī)理.

表2 3次LER事件的主要觀測(cè)結(jié)果

另一方面,目前還不清楚是否所有的先導(dǎo)或梯級(jí)過(guò)程都能伴隨高能現(xiàn)象.得益于4站8通道同步觀測(cè)提供的連續(xù)時(shí)域波形數(shù)據(jù),在3次事件中均發(fā)現(xiàn)有不同程度的爆發(fā)丟失.特別是對(duì)于N02-02事件,僅觸發(fā)了1個(gè)ERDU,且其中1個(gè)通道采集到全部8個(gè)脈沖,另1個(gè)未采集到任何信號(hào),另外3個(gè)ERDU未被觸發(fā).因此推測(cè),至少存在一些類似或具有更弱到達(dá)強(qiáng)度的高能事件未能被探測(cè)到, LER可能是伴隨閃電過(guò)程的普遍現(xiàn)象.具有顯著束流特征的N02-01也有51%的平均爆發(fā)丟失率,則將上述推測(cè)擴(kuò)展至伴隨梯級(jí)的爆發(fā)過(guò)程.為了進(jìn)一步研究LER現(xiàn)象的普遍性,還需要積累更多的觀測(cè)資料,特別是加強(qiáng)對(duì)強(qiáng)度較弱閃電的觀測(cè).考慮到到達(dá)強(qiáng)度極易受探測(cè)距離影響,可基于人工引雷(Zhang et al.,2023)或高塔閃電開(kāi)展針對(duì)性研究.

近來(lái),越來(lái)越多下行TGFs的報(bào)道逐漸模糊了TGFs與X射線暴的區(qū)別.Ringuette等(2013)和Pleshinger等(2019)在梯級(jí)先導(dǎo)最后階段觀測(cè)到的TGFs平均光子能量為500 keV,平均持續(xù)時(shí)間為980 μs;Kereszy等(2022)觀測(cè)到1次發(fā)生于繼后回?fù)羟暗腡GFs,持續(xù)時(shí)間為35 μs,單個(gè)探測(cè)器記錄到18個(gè)脈沖信號(hào),單個(gè)脈沖能量為114～912 keV,相應(yīng)回?fù)敉ǖ谰嘤^測(cè)點(diǎn)200 m,均與本文觀測(cè)到的X射線暴特征類似.根據(jù)Tran等(2015)的定義,TGFs具有如下特征:(1)沒(méi)有低能X射線堆積;(2)持續(xù)時(shí)間小于1 ms;(3)單個(gè)光子的最大能量超過(guò)1 MeV.如果僅從單個(gè)通道的探測(cè)結(jié)果來(lái)看,本文報(bào)道的3起事件大體符合TGFs判定標(biāo)準(zhǔn).進(jìn)一步以N02-01為例估算源區(qū)強(qiáng)度.假設(shè)其具有1 MeV的平均能量和45°的半角寬度(Babich et al., 2013;Lindanger et al., 2021),在1.5 km外因空氣吸收造成的強(qiáng)度衰減約9×10-6.如不考慮散射,則其在TEROS單個(gè)探測(cè)器上引起1個(gè)計(jì)數(shù)需要2×1014個(gè)源區(qū)光子,較典型自然負(fù)地閃先導(dǎo)產(chǎn)生的光子數(shù)(1011～1012)(Schaal et al., 2012)高2～3個(gè)量級(jí),與TASD報(bào)道的下行TGFs強(qiáng)度(1012～1014)(Abbasi et al., 2018)相當(dāng).最近,具有更高靈敏度的ASIM發(fā)現(xiàn),許多上行TGFs同樣具有成簇的時(shí)間分布特征(?stgaard et al., 2019),典型時(shí)間間隔約2 ms.盡管TGFs被認(rèn)為主要與云內(nèi)過(guò)程有關(guān)(陸高鵬等,2020),但隨著觀測(cè)數(shù)據(jù)不斷豐富,X射線暴與TGFs似乎具有更多類似的現(xiàn)象學(xué)特征,兩者是否具有統(tǒng)一的物理機(jī)制,值得進(jìn)一步研究和探討.

4 結(jié)論

本文利用自主研發(fā)的陣列式雷暴高能輻射觀測(cè)系統(tǒng),首次在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了自然閃電高能輻射多點(diǎn)同步觀測(cè),并于2021年夏季成功捕獲3起具有顯著不同特征的X射線暴事件,均伴有近距離的負(fù)極性地閃發(fā)生,相應(yīng)回?fù)敉ǖ谰嘤^測(cè)點(diǎn)1～1.5 km,回?fù)舴逯惦娏鳛?34.6～-71.6 kA.3起事件均于下行負(fù)先導(dǎo)最后階段被探測(cè)到,其中2起出現(xiàn)在首次回?fù)羟暗奶菁?jí)先導(dǎo)階段,持續(xù)時(shí)間為數(shù)百μs,1起發(fā)生在繼后回?fù)羟暗牟灰?guī)則直竄先導(dǎo)階段,持續(xù)時(shí)間為數(shù)十μs,持續(xù)時(shí)間的差異主要與不同類別先導(dǎo)的發(fā)展速度有關(guān).在3起事件中均探測(cè)到MeV能量的單光子,最大能量不小于2.2 MeV,且出現(xiàn)在相應(yīng)回?fù)舴逯惦娏髯畲蟮?次事件中.該事件還具有最大的單位面積沉積總能量和最多的爆發(fā)過(guò)程數(shù)量,單個(gè)爆發(fā)過(guò)程的典型源區(qū)光子數(shù)估計(jì)可達(dá)1014個(gè),隨著逐漸接近回?fù)魰r(shí)刻,還呈現(xiàn)出與電場(chǎng)變化一致的爆發(fā)過(guò)程增強(qiáng)增密趨勢(shì),表明高能輻射的產(chǎn)生主要受先導(dǎo)頭部電場(chǎng)的影響.3次事件均有不同程度爆發(fā)丟失,隨到達(dá)強(qiáng)度降低,更多乃至所有的爆發(fā)過(guò)程無(wú)法被探測(cè)到,高能輻射可能是閃電發(fā)展過(guò)程中的普遍現(xiàn)象.上述結(jié)果反映的X射線暴特征多樣性以及普遍存在的爆發(fā)丟失現(xiàn)象,使得高能輻射信號(hào)呈現(xiàn)出束流和單光子兩種不同模式,并表現(xiàn)出與TGFs類似的現(xiàn)象學(xué)特征,有必要結(jié)合電磁、光學(xué)等其他手段持續(xù)開(kāi)展高分辨綜合觀測(cè),并利用蒙卡仿真進(jìn)行高能輻射源區(qū)特征定量研究,以進(jìn)一步揭示X射線暴與TGFs的區(qū)別和聯(lián)系.

致謝感謝中國(guó)氣象科學(xué)研究院和中國(guó)氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所的雷電科研團(tuán)隊(duì)在觀測(cè)試驗(yàn)期間提供的幫助和支持,感謝審稿專家的寶貴建議.