基于TEROS的自然閃電X射線暴觀測研究

張雄, 張陽, 李小強, 鄭毅, 曹保鋒, 王宇, 呂偉濤, 李鵬*

1 國民核生化災害防護國家重點實驗室, 北京 102205 2 中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室, 北京 100081 3 國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司, 武漢 430074

0 引言

閃電高能輻射(Lightning Energetic Radiation,LER)是伴隨閃電出現的瞬發X/γ射線,根據具體的發生時機與現象學特征,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射線暴總是在回擊前下行負先導的最后階段被探測到,具有顯著的束流爆發特征,以及相對較低的強度和較軟的能譜,被認為可能與先導頭部電場中的熱逃逸電子有關(Cooray et al., 2010;Dwyer, 2004;Gurevich, 1961;Moss et al., 2006),但具體過程還不清楚.

Moore等(2001)最先在自然閃電梯級先導中觀測到持續1～2 ms的X射線暴.Dwyer等(2005)結合電場測量發現,X射線暴通常在首次回擊前約1 ms內被探測到,并由多個伴隨梯級過程的分立爆發組成,單個爆發持續時間約1 μs,單光子能量不超過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,可能與先導的電學特征直接相關,是揭示LER產生機制的重要特征參量(Celestin et al., 2015;Xu et al., 2014).Schaal等(2012)結合蒙卡仿真發現,X射線暴的特征能量可擴展至300 keV～1 MeV,源區光子數為1011～1012.也有一些觀測發現了接近2 MeV甚至更高能量的X射線脈沖,但無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;李小強等,2018).Howard等(2008)利用TOA定位技術建立了X射線脈沖與電場變化脈沖的時空聯系,Urbani等(2021)結合甚高頻(Very High Frequency,VHF)寬帶干涉儀進一步發現X射線脈沖與最強的VHF脈沖具有強烈的時間相關性,表明 X射線暴與先導發展,尤其是可能與梯級先導的形成過程密切相關.Mallick等(2012)基于對23個X射線暴(其中15個發生于繼后回擊前)的統計分析發現,X射線暴的強度似乎與回擊峰值電流正相關,但未發現其與電場變化脈沖幅度的相關性;此外,并不是在同一次閃電的所有先導過程,或同一次先導的所有梯級過程中都能探測到X射線,由此認為在先導發展過程中,即使先導頭部電場超過熱逃逸閾值(標準大氣條件下為30 MV·m-1),也不一定能引發熱逃逸過程.Montanyà等(2014)、Tran等(2019)和Saba等(2019)報道了類似的觀測結果,即在回擊峰值電流越大、閃電通道頭部越亮的先導過程中,越有可能探測到高能輻射;但也同時指出,受探測距離和先導發展方向的影響,探測位置處的X射線強度不足可能導致伴隨的高能現象無法被觀測到(Montanyà et al., 2012).

相較之下,TGFs是亞毫秒尺度的持續爆發過程,單光子能量可超過20 MeV,典型源區光子數約1017,并被認為主要與云內上行先導有關,因此大多通過衛星平臺進行觀測研究(Fishman et al., 1994;Lindanger et al., 2020; Neubert et al., 2020;Roberts et al., 2018;Smith et al., 2005;Zhang et al., 2021).近來陸續報道了一些地面觀測結果,但表現出較大的特征差異.Dwyer等(2012)報道了首個與自然負地閃有關的TGFs,發生于回擊后191 μs,持續時間為52.7 μs,并在11個探測器上記錄到19個γ射線脈沖,最大能量超過20 MeV.Tran等(2015)也在一次地閃回擊約200 μs后觀測到持續16 μs的TGFs,共記錄到6個脈沖,其中2個能量超過5.7 MeV.基于望遠鏡探測陣列(Telescope Array Surface Detector,TASD)觀測到的TGFs,通常出現在負地閃初始擊穿最開始的1～2 ms內,并由多個間隔數十μs、持續時間小于10 μs的短爆發組成,總持續時間為數百μs,源區光子數為1012～1014(Abbasi et al., 2017, 2018;Belz et al., 2020).Wada等(2020)和Hisadomi等(2021)還報道了與云內大脈沖過程(Lyu et al., 2018)有關的TGFs,但由于探測系統飽和未能給出高能輻射信息.Ringuette等(2013)和Pleshinger等(2019)在下行先導最后階段觀測到的TGFs持續時間約1 ms,最大光子能量約6 MeV.最近,Kereszy等(2022)在1次繼后回擊前1.1 ms觀測到TGFs,其持續時間為35 μs,最大脈沖能量為912 keV.

由于閃電發生的不確定性以及大氣對X/γ射線強烈的吸收衰減,LER的地面觀測資料相對有限,對LER現象學特征及其與閃電的聯系等問題的認識還比較模糊,且已有研究大多基于單個輻射探測器開展,存在一定局限性.因此,本文利用自主研發的陣列式雷暴高能輻射觀測系統(Thunderstorm Energetic Radiation Observation System,TEROS),設計開展了自然閃電高能輻射多點同步觀測試驗,并于2021年夏季觀測期成功捕獲3次X射線暴.結合閃電定位結果、低頻快電場變化和回擊峰值電流等資料,從單光子脈沖和束流爆發兩個角度,對3次事件的特征及差異進行了詳細研究,探討了爆發過程與梯級過程的潛在聯系、LER現象的普遍性,以及X射線暴與TGFs特征的異同,為深化對LER現象的認識與理解提供了重要觀測依據.

1 設備與方法

1.1 觀測設備

TEROS是由高能輻射探測單元(Energetic Radiation Detection Unit,ERDU)和遠程終端單元(Remote Terminal Unit,RTU)組成的X/γ射線探測陣列(張雄等,2022).2021年夏季,國民核生化災害防護國家重點實驗室在中國氣象局雷電野外科學試驗基地(Field Experiment Base on Lightning Sciences, China Meteorological Administration, CMA_FEBLS)廣州從化人工引雷試驗場(Fan et al., 2020)布設了1套4站TEROS,如圖1所示,4個ERDU依次編號為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的布設情況

ERDU的配置完全一致,均包含有2路探測通道,并通過調節信號增益實現30 keV至10 MeV的X/γ射線分能段同步測量.輻射探測器選用直徑和長度均為7.6 cm的圓柱形NaI(Tl)閃爍體探測器,利用137Cs、60Co和40K完成了全部8個探測通道的能量刻度.X/γ射線在探測器內沉積能量、激發閃爍光并轉換為電信號后,經前置放大器送入高速數據采集模塊實時判別LER疑似事件,進而觸發連續時域信號的數字化采集,連同GPS觸發時間戳一并通過光纖上傳至RTU供后續分析.整個ERDU放置在電磁屏蔽箱內并由24 V鋰電池供電,以屏蔽外部電磁干擾.數據采樣時長為500 μs,采樣率為20 MHz,GPS時間精度為30 ns.

其他用于分析的資料還有中國氣象科學研究院閃電低頻電場探測陣列(Low-frequency E-field Detection Array,LFEDA)提供的快電場波形和全閃定位結果(史東東等,2018;張陽等,2021),以及中國電力部門雷電地閃定位系統(Lightning Location System,LLS)提供的回擊峰值電流(王宇等,2021).LFEDA是基于傳統快電場變化測量儀組成的閃電探測網絡,架設前均已完成嚴格的實驗室標定和測量值訂正,數據采集基于浮動電平觸發,探測信號帶寬為160 Hz～600 kHz,時間常數為1 ms,預觸發時間為200 μs,時間戳精度為100 ns,經觸發閃電評估的閃電定位精度約100 m.LLS是一種業務用的地閃定位系統,采用分布式子站測量雷電低頻/甚低頻電磁輻射信號,基于磁場信號強度反演地閃回擊電流,回擊峰值電流誤差在～20%以內.

1.2 脈沖堆積校正方法

LER具有瞬時強度大的特點,容易引起脈沖堆積問題,直接使用原始測量波形的脈沖幅值會導致對X/γ射線能量的高估(Schaal et al., 2012).NaI(Tl)探測器具有良好的線性響應,其輸出信號可認為是線性時不變的,即堆積脈沖是多個形狀相同,但幅值和到達時間不同的脈沖的線性疊加(Mohammadian-Behbahani and Saramad, 2020).基于此,本文設計實現了一種基于模板匹配的堆積脈沖正向校正算法.其基本思想是通過大量實測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數不準確問題,后續所有的分析與討論均基于校正后的脈沖開展.

圖2 脈沖堆積校正結果

1.3 LER事件判別方法

LER疑似事件的實時判別基于放射性本底統計漲落規律實現.經實測,試驗場內單個探測器的本底計數率約200 cps,在500 μs時間窗內的本底計數期望值λ為0.1.在該時間窗內,本底放射性服從泊松分布,即由本底引起N個計數的概率P為

為提高LER捕獲概率,盡量避免遺漏弱事件,觀測期間將觸發閾值設置為4,即在500 μs內出現4個以上計數時,認為發生1次LER疑似事件并觸發數據采集,相應的本底誤觸發頻率為13次/天.比較LER疑似事件的各ERDU采集數據發現,有2次事件同時觸發多個ERDU.另有1次事件在100 μs內,引起了單個探測器的8個計數,其由本底引起的可能性為2×10-7次/年.上述3次事件發生時刻附近均伴有閃電事件報告,因此將這3起事件確證為LER事件.

2 觀測結果與分析

在3次LER發生時間附近,LFEDA和LLS均報告有近距離的負極性地閃發生,其中后2次出現在同一次負地閃的不同先導/回擊過程中.按照時間先后將這3次事件分別記為N01-01、N02-01和N02-02.如圖3所示,3次事件相應的回擊通道距試驗場1～1.5 km.相較之下,4個ERDU的間距較小,其引起的觀測距離變化可以忽略,即可認為4個ERDU處于同一觀測位置.下面首先分析強度最大的N02-01事件.

2.1 N02-01事件

N02-01發生于1次多回擊負地閃(北京時間2021年5月31日14∶53∶30)首次回擊前的下行梯級先導最后階段,圖4給出了該事件相應的電場變化波形和高能輻射數據.其中,“0”時刻為LFEDA報告的回擊時間,圖中以綠色垂直線進行了標識.圖4a和圖4e中標注的距離分別為LFEDA測站和TEROS距回擊定位點的二維直線距離,各子圖的時間均已按相應距離進行了修正.如圖4所示,N02-01結束于回擊前6 μs,持續時間為322 μs(所有通道內的第1個脈沖與最后1個脈沖的時間間隔),是3次事件中最強的1次并觸發了全部4個ERDU.相應回擊通道距試驗場1.5 km,回擊峰值電流達到-71.6 kA,較廣州地區平均水平(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,輻射脈沖信號總是在多個ERDU同時出現,表明其來自束流爆發過程,且與電場變化脈沖也有明顯對應關系,是一次典型的由多個伴隨梯級過程爆發組成的X射線暴(Dwyer et al., 2005;Kereszy et al., 2022).

圖4 N02-01觀測數據

(1)脈沖特征

圖4b—4e中的子圖進一步給出了爆發過程內部的信號細節.由于自然閃電距離觀測點普遍較遠,在經過長距離輸運后,到達探測位置處的輻射強度(以下簡稱為到達強度)顯著降低,單個爆發內的光子束也因康普頓散射出現了時間延遲,脈沖信號表現出單光子特征(Babich et al., 2013;Berge and Celestin, 2019).因此在自然閃電高能輻射研究中,大多基于脈沖信號進行分析(Mallick et al., 2012;Urbani et al., 2021).

N02-01共記錄到218個脈沖,圖5a給出了所有脈沖的能量和時間分布散點圖,并以1 μs的寬度繪制了時間分布直方圖.脈沖信號在時間分布上表現出與圖4一致的成簇(束流)特征,隨著不斷接近回擊時刻,探測到的脈沖數量逐漸增加,單個脈沖最大能量也有增大趨勢.考慮到首次回擊前的梯級先導發展速度在接近地面時可達到106m·s-1(張義軍等,2016),且連接先導長度一般為數十米(郄秀書等,2013).假設N02-01的源區從400 m(回擊前328 μs)逐漸下降到100 m(回擊前6 μs),相應的觀測距離由1552 m減小至1503 m,則其引起的輻射強度變化較小,由此推測脈沖數量的增加主要是由源區高能輻射變強導致(Saleh et al., 2009).隨著先導進一步接近地面,高能輻射源區不斷下降并主要沿先導發展方向發射光子,此時相對較遠(1.5 km外)的探測單元已經處于X射線束外(Saba et al., 2019),只能記錄到少量經康普頓散射后的較低能量光子.因此,在N02-01的最后階段,并沒有出現輻射強度的持續增強(Hill et al., 2012),相反,探測到的脈沖數量和單個脈沖最大能量還有所減小.

圖5 N02-01脈沖的能量與時間分布情況

圖5b以50 keV的寬度給出了N02-01的能量分布直方圖.探測到的脈沖能量主要集中在低能區(500 keV以下),以50～200 keV的居多,單個脈沖平均能量為0.45 MeV,最大能量超過3 MeV(圖4e放大子圖的2通道).由于相應低量程通道(圖4e放大子圖的1通道)同時記錄到飽和脈沖,不能排除多光子堆積的可能.進一步比較同一ERDU的雙通道數據發現,部分高能信號僅出現在其中1個探測通道,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)探測器內的能量沉積以康普頓散射為主(汲長松,2010),因此實際入射的光子能量可能更高.總體上,N02-01具有較以往報道(Dwyer et al.,2005;Schaal et al.,2012)更高的單光子能量,與其相對較大的回擊峰值電流一致.此時,先導頭部的電子逃逸更加充分,產生的高能輻射能譜更硬、強度更大(Celestin et al., 2015).8個探測通道內的總沉積能量為99 MeV,單位面積沉積總能量為0.27 MeV·cm-2.需要說明的是,類似圖4e中的飽和脈沖一共有5個,均出現在低量程通道,其能量值按相應飽和值(～3 MeV)給出.這樣的處理方式雖然低估了這5個脈沖的能量,但由于高量程通道上觀測到的最大脈沖能量為3.2 MeV,偏差不會很大,不影響本文的討論和結論.

(2)爆發特征

基于脈沖的分析方法較好反映了X射線暴的到達能量特征,但如圖4d放大子圖所示,在1次束流爆發中可能記錄到多個脈沖信號.為進一步研究LER的爆發特征,探討其與梯級過程的潛在關系,本文基于脈沖間隔時間將8個通道記錄的所有脈沖劃分為不同的爆發過程.Berge和Celestin(2019)通過計算發現,對于高度為3 km的瞬態高能輻射源,90%的光子將在最初的1.5 μs內到達1 km外的觀測點.本文觀測距離遠小于3 km,康普頓散射引起的時間延遲更小,采用1.5 μs作為劃分標準是合理的.即當相鄰2個脈沖間隔超過1.5 μs時,將這2個脈沖劃為不同的爆發過程,如果脈沖間隔不大于1.5 μs,則認為這2個脈沖來自同一爆發過程.爆發時間為該爆發過程的第1個脈沖時間.

基于上述標準,N02-01可劃分為30個爆發過程,圖6展示了爆發間隔時間和沉積能量(爆發內所有脈沖能量之和)隨時間的變化.隨著接近回擊時刻,爆發間隔呈現出振蕩減小趨勢,爆發平均持續時間為1.6 μs(爆發內第1個脈沖與最后1個脈沖的時間間隔),間隔時間為1.7～61.2 μs,平均值為10 μs,與梯級先導間歇時間大體在同一水平(郄秀書等,2013).盡管由于樣本數量的原因出現了一定波動,但與前述脈沖特征類似,爆發沉積能量也表現出先增大后減小的變化趨勢.單個爆發沉積能量為0.1～17.7 MeV,單位面積平均沉積能量為9.1×10-3MeV·cm-2,沒有發現爆發沉積能量與爆發間隔時間之間的關系.

圖6 爆發間隔時間(a)與沉積能量(b)隨時間變化

圖7按照30次爆發過程,分別給出了8個探測通道的能量沉積情況,圖7b中以散點大小表示沉積能量的大小.各通道記錄到的爆發數量和爆發丟失率(丟失的爆發數量/總爆發數量)列于表1.爆發丟失是指某一探測通道在該爆發過程對應時間段內,即第1個脈沖之前1.5 μs至最后1個脈沖之后1.5 μs,未采集到有效輻射脈沖信號.由于相對較低的到達強度和探測器對單光子響應的隨機性(Babich et al., 2013),各個探測通道均有不同程度的爆發丟失,甚至同1個ERDU內的2個探測通道也不能總是記錄到同一爆發過程.8個探測通道的平均爆發丟失率為51%,其中還有10次爆發過程只記錄到1個脈沖(如圖7中的第1個爆發過程),占比33%;此外,同一爆發過程在不同探測通道上的沉積能量波動也較大,這可能是在一些先導或梯級過程中未能觀測到高能輻射的直接原因(Saba et al.,2019),將在第3節中進一步討論.

表1 各探測通道記錄到的爆發數量及爆發丟失率

圖7 不同探測通道的爆發沉積能量

2.2 N02-02事件

N02-02與N02-01發生于同一次地閃過程中.如圖8a所示,該事件結束于回擊前14 μs,相應的電場變化出現了明顯的不規則脈沖,表明其是1次與不規則直竄先導過程有關的X射線暴(Hill et al., 2012;Pu et al., 2019).相應回擊通道距試驗場1.4 km,回擊峰值電流為-38.8 kA.N02-02的輻射強度較N02-01要弱得多,只觸發了ERDU-1一個探測單元,與相對較小的回擊峰值電流一致.整個事件持續時間為51 μs,較N02-01小1個量級,主要與不規則直竄先導相對更快的發展速度(約107m·s-1)有關(張義軍等,2016).如在回擊前100 μs,高能輻射源區(先導)高度約1 km,此時的探測距離達到1.72 km,對于 1 MeV的單能光子,相應的到達強度較最近處的1.4 km小1個量級以上,因此更難被探測到.

圖8 N02-02觀測數據

由于N02-02的到達強度較弱,ERDU-1內并排放置的2個探測器可能相互產生遮擋,導致2通道未能記錄到任何信號.1通道共采集到8個脈沖,且沒有出現堆積,表現出與N02-01完全不同的單光子模式.單個脈沖能量為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次爆發過程,間隔時間為1.6～22.4 μs,平均值為7.3 μs,略大于不規則直竄先導的脈沖間隔時間(5.3～9 μs)(張義軍等,2016),可能與其相對較弱的輻射強度導致更多爆發丟失有關.單個爆發單位面積平均沉積能量為2.8×10-3MeV·cm-2,單個通道最大爆發丟失率為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也出現在1次自然負地閃(北京時間2021年5月26日08∶34∶26)首次回擊前的梯級先導最后階段.該事件結束于回擊前6 μs,持續時間為489 μs,與N02-01相當.回擊通道距觀測點1 km,回擊峰值電流為-34.6 kA.如圖9所示,整個事件共記錄到18個脈沖,并更多的表現出單光子特征,但也出現了2次多通道同時響應的情況(圖9紫色高亮部分),另有1次在單通道內產生了堆積脈沖,表明其來自爆發過程,是1次相對較弱的X射線暴.單個脈沖能量為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次爆發過程,間隔時間為6.9～209.7 μs,平均值為40.6 μs,平均爆發丟失率為71%.先導發展期間相對弱的電場變化以及較低的回擊峰值電流,表明此次閃電過程偏弱,先導頭部電場偏小,單個爆發內的高能輻射強度較低,導致更多伴隨梯級的爆發過程無法被探測或同時探測到.因此,即使其具有較N02-01更近的探測距離,但記錄到的爆發過程仍然偏少,相應的爆發間隔時間較長,爆發丟失率也偏高.

圖9 N01-01觀測數據

值得注意的是,N01-01的回擊峰值電流處于廣州地區平均水平,是1次一般強度的負極性地閃.其成功觸發1 km外的2個ERDU,另有2個ERDU未能被觸發,且觸發通道計數均為6,略高于設定的觸發閾值(>4),表明N01-01的到達強度接近TEROS探測下限.即對于一般強度閃電,單個ERDU的觀測覆蓋半徑約1 km.采用同尺寸探測器的Mallick等(2012)和Tran等(2019)發現,在1 km范圍內,約61%～82%的負地閃伴有可探測的X射線暴.這表明X射線暴可能是伴隨閃電的普遍現象,同時也為后續TEROS的擴展部署提供了參考依據.

3 討論

如前所述,3次LER事件均于下行負先導的最后階段被探測到,是典型的X射線暴,并表現出顯著的特征多樣性,表2列出了3次事件的主要觀測結果.一般認為,X射線暴來自于先導頭部強場中的熱逃逸過程,是伴隨梯級形成(或空氣擊穿)的間歇性爆發現象,且先導頭部電場(電勢差)越大,越有利于逃逸過程發展,相應的高能輻射越強(Celestin et al., 2015).這在前文的分析中已得到進一步證實.如回擊峰值電流最大的N02-01具有最強的高能輻射特征,但仍缺乏高能輻射與梯級過程聯系的直接證據.盡管由于LFEDA測站較遠以及觀測數據表現出的爆發丟失問題,本文尚不能將X射線暴的爆發過程與閃電先導的梯級過程一一對應進行定量分析.但如圖4a和圖6b所示,單個爆發過程強度與電場變化表現出總體一致的增強趨勢;同時,隨著接近回擊時刻,電場變化趨密,爆發間隔也在逐漸減小(圖6a);此外,圖4a中電場變化較大的13個脈沖(P1—P13)均伴有爆發過程.上述觀測事實均表明電場變化越強的梯級過程可能伴隨更強的高能輻射爆發過程.未來可以針對爆發過程與梯級過程的直接聯系,開展更為精細的高分辨多手段地面綜合觀測,以進一步揭示X射線暴的產生機理.

表2 3次LER事件的主要觀測結果

另一方面,目前還不清楚是否所有的先導或梯級過程都能伴隨高能現象.得益于4站8通道同步觀測提供的連續時域波形數據,在3次事件中均發現有不同程度的爆發丟失.特別是對于N02-02事件,僅觸發了1個ERDU,且其中1個通道采集到全部8個脈沖,另1個未采集到任何信號,另外3個ERDU未被觸發.因此推測,至少存在一些類似或具有更弱到達強度的高能事件未能被探測到, LER可能是伴隨閃電過程的普遍現象.具有顯著束流特征的N02-01也有51%的平均爆發丟失率,則將上述推測擴展至伴隨梯級的爆發過程.為了進一步研究LER現象的普遍性,還需要積累更多的觀測資料,特別是加強對強度較弱閃電的觀測.考慮到到達強度極易受探測距離影響,可基于人工引雷(Zhang et al.,2023)或高塔閃電開展針對性研究.

近來,越來越多下行TGFs的報道逐漸模糊了TGFs與X射線暴的區別.Ringuette等(2013)和Pleshinger等(2019)在梯級先導最后階段觀測到的TGFs平均光子能量為500 keV,平均持續時間為980 μs;Kereszy等(2022)觀測到1次發生于繼后回擊前的TGFs,持續時間為35 μs,單個探測器記錄到18個脈沖信號,單個脈沖能量為114～912 keV,相應回擊通道距觀測點200 m,均與本文觀測到的X射線暴特征類似.根據Tran等(2015)的定義,TGFs具有如下特征:(1)沒有低能X射線堆積;(2)持續時間小于1 ms;(3)單個光子的最大能量超過1 MeV.如果僅從單個通道的探測結果來看,本文報道的3起事件大體符合TGFs判定標準.進一步以N02-01為例估算源區強度.假設其具有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度衰減約9×10-6.如不考慮散射,則其在TEROS單個探測器上引起1個計數需要2×1014個源區光子,較典型自然負地閃先導產生的光子數(1011～1012)(Schaal et al., 2012)高2～3個量級,與TASD報道的下行TGFs強度(1012～1014)(Abbasi et al., 2018)相當.最近,具有更高靈敏度的ASIM發現,許多上行TGFs同樣具有成簇的時間分布特征(?stgaard et al., 2019),典型時間間隔約2 ms.盡管TGFs被認為主要與云內過程有關(陸高鵬等,2020),但隨著觀測數據不斷豐富,X射線暴與TGFs似乎具有更多類似的現象學特征,兩者是否具有統一的物理機制,值得進一步研究和探討.

4 結論

本文利用自主研發的陣列式雷暴高能輻射觀測系統,首次在國內實現了自然閃電高能輻射多點同步觀測,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,均伴有近距離的負極性地閃發生,相應回擊通道距觀測點1～1.5 km,回擊峰值電流為-34.6～-71.6 kA.3起事件均于下行負先導最后階段被探測到,其中2起出現在首次回擊前的梯級先導階段,持續時間為數百μs,1起發生在繼后回擊前的不規則直竄先導階段,持續時間為數十μs,持續時間的差異主要與不同類別先導的發展速度有關.在3起事件中均探測到MeV能量的單光子,最大能量不小于2.2 MeV,且出現在相應回擊峰值電流最大的1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過程數量,單個爆發過程的典型源區光子數估計可達1014個,隨著逐漸接近回擊時刻,還呈現出與電場變化一致的爆發過程增強增密趨勢,表明高能輻射的產生主要受先導頭部電場的影響.3次事件均有不同程度爆發丟失,隨到達強度降低,更多乃至所有的爆發過程無法被探測到,高能輻射可能是閃電發展過程中的普遍現象.上述結果反映的X射線暴特征多樣性以及普遍存在的爆發丟失現象,使得高能輻射信號呈現出束流和單光子兩種不同模式,并表現出與TGFs類似的現象學特征,有必要結合電磁、光學等其他手段持續開展高分辨綜合觀測,并利用蒙卡仿真進行高能輻射源區特征定量研究,以進一步揭示X射線暴與TGFs的區別和聯系.

致謝感謝中國氣象科學研究院和中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所的雷電科研團隊在觀測試驗期間提供的幫助和支持,感謝審稿專家的寶貴建議.