通过地表测量获取下部偶极子的大气电场

《Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics》：Accessing the atmospheric electric field in the lower dipole via surface measurements

　　

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  基于地面测量，我们获得了与强雷暴相关的电场强度的估计值。
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  阿拉拉茨山（Aragats）观测到的强 TGE 与 1.8–2.0 kV/cm 的有效场强和约 2 km 的超临界延展长度相关。
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  引入了一种受约束的反演方法，用于从 TGE 和 NSEF 数据中估计雷暴的有效电场。
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  反演过程受逃逸阈值、最小延展长度和最大电势差的物理约束。
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  结果已在独立年度数据和大事件样本上进行验证。

引言

对大气电场（AEF）结构的现代理解始于威尔逊（Wilson）对闪电引起的地面电场变化的分析。从这些测量中，确定了雷云的基本大尺度极性结构：上方为主要正电荷区，下方为主要负电荷区（Wilson, 1916）。威尔逊随后迈出了重要的概念性一步，将雷云的电结构与高能粒子加速联系起来，提出足够强的风暴电场可以将电子加速到高能状态，使其“逃逸”而不是通过碰撞逐渐损失能量（Wilson, 1925）。几年后，威尔逊将这一想法扩展到风暴的上部，并提出在中心偶极区域产生的高能粒子可能有助于当时与宇宙射线相关的穿透辐射（Wilson, 1929）。

这一电学图景后来在南非得到了实验观测。威尔逊确定的基本偶极结构后来通过测量雷暴电场在那里得到了验证（Schonland and Craib, 1927），而施朗德（Schonland, 1928）进一步研究了雷云的极性结构。此后，人们进行了两次著名的能量雷暴粒子搜寻。然而，加速偶极子模型是一个早期想法，其中带电层排列使得电子向上加速，希望能到达高层大气，然后在地磁场中偏转后落回地面。威尔逊高估了电子能达到的能量和云内的总电势差。现代数据表明，地面电子能谱在 40–50 MeV 附近下降，而不是在 GeV 能量处，且气球探空数据不支持约 10⁹ V 的云电势。因此，综述（Chilingarian, 2014）认为，地面现象无法由威尔逊情景中超相对论电子返回地面来解释；相反，地球表面粒子爆发的相关来源是下偶极子，它在云层下方直接向下加速电子。到达地球表面的电子 - 伽马射线雪崩被记录为雷暴地面增强效应（TGEs），即粒子突发，有时超过稳定背景值高达 1000%。

因此，南非实验设计中使用的错误 AEF 模型使威尔逊电子的发现推迟了近一个世纪，直到在阿拉拉茨山观测到 TGE（RREA 的产物）（Chilingarian et al., 2010; Chilingarian et al., 2011）。TGE 是一种罕见现象；阿拉拉茨山的 TGE 档案在 15 年间记录了约 600 次（Chilingarian et al., 2024a）。新团队正加入 TGE 研究，希望很快记录到新的 TGE（见 Chilingarian et al., 2025）。

在 Workman, Holzer 和 Pelsor (1942) 的研究中，八个同步记录电计被部署在阿尔伯克基周围，时间分辨率为 0.01 秒，用于分析闪电引起的地面电位梯度变化，并确定在闪电击中过程中被中和的电荷的符号、大小和位置。他们的发现表明，雷暴电荷区可以持续 10 到 30 多分钟，随风暴和雨场移动，并可被观测为有组织的电中心，而不是随机的孤立电荷。他们还测量了负电荷中心和正电荷中心的特征高度，分别为地面以上 5.2 km 和 5.8 km 左右，平均垂直间距小于 1 km。这标志着首次重要证明之一：雷暴电荷结构可以通过同步地面测量进行动态重建。对威尔逊偶极图景的关键修正来自于云内气象和电学观测。Kuettner 对 125 场风暴的研究表明，雷云电荷结构比单一主偶极子更复杂（Kuettner, 1950）。Kuettner 报告在冻结层处存在局部正电荷，以降水和闪电为中心，水平范围有限；他将其与“霰电偶极子”联系起来，同时注意到更高处的“雪电偶极子”，并强调了电荷结构与降水微物理学之间的联系。这是引入下正电荷区（LPCR）作为雷云拓扑结构中真实物理组成部分的决定性一步。在后来高能大气物理研究中，LPCR 成为形成向下加速电子朝地表运动的下偶极子的自然候选者。

Torii 等人（2002）报告了一项重要的早期地面观测，他们在日本冬季雷暴期间测量到伽马射线剂量的瞬时增加；他们展开的 NaI(Tl) 能谱延伸至几 MeV，被解释为与闪电活动相关的能量电子的韧致辐射。这一事件证明了地面可检测到与雷暴相关的高能辐射，尽管它没有提供雷云电场或其时间演变的重建。

始于 2010 年的阿拉拉茨研究，提供了从经典大气电学到现代高能观测的桥梁。阿拉拉茨多元计划包括同步记录带电和中粒子通量、电场扰动、降雨率、湿度和闪电发生情况（Chilingarian et al., 2021a）。在阿拉拉茨山上空发展的相对论性逃逸电子雪崩（RREA, Gurevich et al., 1992; Dwyer, 2003）被众多粒子探测器记录，创建了大量的 TGE 事件档案。TGE 测量与使用 CORSIKA 7.7400 代码（Heck et al., 1998）的 RREA 模拟相结合，以推导出与观测到的 TGE 一致的最佳 AEF 场强和几何形状。

雷暴电场的直接原位测量为这项研究提供了关键的物理基准。在新墨西哥上空雷暴中的气球探空显示，当局部电场达到或超过逃逸或盈亏平衡阈值时，闪电开始发生。在风暴内部，电场通常保持在接近该阈值，而不是无限增加（Marshall et al., 1995; Stolzenburg et al., 2007）。这些直接测量表明，雷暴电场是受物理约束的。

在这项研究中，我们将从原位测量和 RREA 模拟中得出的电子加速 AEF 强度和持续时间的独立极限，与 2012 年至 2025 年在阿拉拉茨山记录的大量 TGE 档案相结合。这些信息被用于开发一种物理约束方法，以从地球表面测量的粒子通量增加中推断 AEF 的时间演化。

章节摘要

RREA 指数上升模型及隐含的 AEF 估计

在我们的模型（Chilingarian and Zazyan, 2025）中，RREA 粒子通量强度的超额量与 AEF（记为 E）成比例，公式为$$\Delta \mathrm{I}\propto {\mathrm{E}}^{\mathrm{f}}+{\mathrm{E}}^{\mathrm{g}}\text{,}$$其中第一个指数表示当 AEF 低于引发 RREA 的阈值时平滑温和的增强，第二个指数描述了达到引发 RREA 的阈值后雪崩粒子的突然爆发。

指数 f 和 g 表征了 AEF 加速电子的两种不同状态。第一种状态被称为

从 2012-2025 年阿拉拉茨山记录的 TGE 时间序列中恢复有效电场动力学

第 2 节开发的指数上升模型被应用于完整的 TGE 档案，以恢复描述 TGE 增长阶段大气电场演化的有效参数。本节的目标是确定哪些恢复量包含稳健的物理信息，哪些主要反映所采用的近阈值模型的假设。我们从 2014–2025 年阿拉拉茨档案中选择了 26 个增强超过 20% 的 TGE。为了提供

模型局限性及物理约束推断

AEF 能量估计问题属于科学和技术应用中常见的欠定或不适定反演问题类别。欠定反演问题通常不通过直接反演来解决，因为许多不同的模型可以拟合相同的数据，并且没有唯一的逆矩阵可以直接计算并用于恢复潜在依赖关系。因此，标准方法是通过添加

讨论与结论

对强 TGE 的分析表明，观测到的粒子通量增加可以由指数增长模型一致地描述。通过使用开发的模型应用于 2012–2025 年 TGE 档案，我们首次利用长期观测系统地表征了雪崩增长动力学。提出的模型允许从 TGE 上升轮廓中提取 AEF 发展的时间增长特性。

分析的关键结果是，在采用的

CRediT 作者贡献声明

A. Chilingarian: 写作 – 原稿，方法论，形式分析，概念化。L. Kozliner: 验证，软件，数据整理。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的相互竞争的经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本论文中报告的工作。

A. Chilingarian|L. Kozliner