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为探究闪电如何在稠密大气中产生大量相对论电子，研究人员针对日本金泽电视发射塔开展地闪相关观测。发现下行负先导与塔上上行正先导碰撞时伴随?56 kA 云地放电和 TGF，表明强电场区电子被加速至相对论能量，为 TGF 机制研究提供新视角。
在神秘的大气电学现象中，地闪（云地闪电）总是伴随着诸多未解之谜。其中，地闪伽马射线闪光（Terrestrial Gamma-Ray Flashes, TGFs）作为一种持续仅微秒级的高能光子爆发，虽已被证实与闪电放电相关，但其核心机制 —— 闪电究竟如何在稠密大气中催生海量相对论电子（能量达 MeV 级以上的电子）—— 始终笼罩在迷雾之中。现有的相对论逃逸电子雪崩（RREA）理论虽被广泛接受，却难以解释 TGFs 中涉及的高达 1016 至 1019 个相对论电子的数量级。科学界迫切需要通过高精度观测，揭示 TGFs 与闪电放电过程的直接关联，破解强电场环境下电子加速与倍增的关键机制。
为攻克这一难题，日本研究人员聚焦于日本海沿岸冬季雷暴频发的金泽地区，针对当地电视发射塔开展了一项多维度观测研究。该地区因冬季雷暴电荷中心较低，TGFs 更易接近地面，为地面观测提供了独特窗口。研究团队整合了光学、射频（RF）和高能探测器，对一次典型的云地放电事件展开深入分析，相关成果发表在《SCIENCE ADVANCES》。
研究采用的关键技术方法包括：
- 多频射频观测：利用低频（LF）网络（含 FALMA 和 JAXA-LF 系统）和中频至高频（MF-HF）的 DALMA 阵列，通过到达时间法定位闪电射频脉冲源，精度达数百米至数十米级。
- 高能粒子探测：搭载塑料闪烁体的 TGF 探测器，分高低灵敏度通道（能量范围分别至 2.5 MeV 和 5.0 MeV），同步记录伽马射线与 VHF 信号，时间精度优于 200 ns。
- 光学成像：索尼 α6400 相机搭配广角镜头，以 30 fps 帧率捕捉闪电光学信号，结合网络时间协议同步 timing，直观记录雷击塔体的动态过程。
研究结果
1. TGF 与闪电先导碰撞的时空关联
观测显示，2023 年 1 月 30 日 01:13:29 UT，伽马射线暴与强射频脉冲同步出现，早于云地放电（?56 kA 回击电流）30 μs。高频通道首次探测到光子时刻为 01:13:29.975838 UTC，较回击提前 31 μs，且伽马射线持续超 90 ms。通过射频源定位，下行负先导（起始于 2–3 km altitude，速度 1.8×106 m/s）与发射塔上行正先导（推断长度约 800 m）在 0.8–0.9 km altitude 碰撞，触发回击（Compact Stroke, CS）。光学影像证实塔 1 遭雷击，云底高度约 500 m，上行先导轨迹平滑，符合正先导特征。
2. 高能粒子特征与物理机制
伽马射线能量谱显示大量 MeV 级光子（区别于 X 射线的 <1 MeV 特征），排除阶梯先导的 X 射线干扰。后续观测到持续 80 ms 以上的伽马射线余辉，证实为光核反应（如 14N+γ→13N+n）产生的中子热化及核退激过程，符合 TGF 余辉特性。结合雷达反射率（>35 dBZ 示踪霰粒）和温度垂直分布（?10°C 层位于 1.8 km），推断负电荷层聚集区为先导起始提供条件。
3. 先导碰撞与电场加速模型
研究提出 TGF 触发的物理场景：当下行负先导与上行正先导接近时，两者间形成强而紧凑的电场区域，驱动电子加速至相对论能量。尽管具体机制（相对论反馈或热逃逸模型）尚不明确，但先导碰撞导致的电场集中为电子倍增提供了必要条件。值得注意的是，此次观测到的上行正先导长度（～800 m）远超典型案例（数十至数百米），暗示更强的局地电场强度。
结论与意义
本研究通过多频协同观测，首次直接证实 TGFs 与正负先导碰撞的因果关联，揭示强电场区域在电子加速中的核心作用。研究结果不仅为 TGFs 的 “双先导碰撞触发假说” 提供了实证支持，还提出上行正先导在高能辐射事件中的关键作用，修正了以往对闪电先导对称性的认知。此外，观测到的超长正先导及紧凑型回击（CS）特征，为冬季雷暴的高能量释放机制提供了新解释，对大气电学、空间天气及高能粒子物理的交叉研究具有重要推动意义。该工作为后续构建更完善的 TGFs 理论模型奠定了观测基础，也为利用地面设施开展高能大气现象研究开辟了新路径。
