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从二十世纪末开始,与雷暴和闪电有关的高能辐射现象引起人们的重视,相关的研究工作在国际上活跃展开。2008年开始,我们在羊八井国际宇宙射线观测站开展了雷暴电场、闪电电场变化和宇宙射线的联合观测。基于实验获取的资料,本论文对羊八井地区的闪电特征以及雷暴期间宇宙射线负μ子成分计数率的变化进行了分析;同时,本论文还在总结观测事实的基础上,对地球γ-射线闪(Terrestrial gamma-ray flashes,TGFs)的产生机制进行了探讨,并对闪电先导的双向流光现象和闪电通道中等离子体波动现象等问题进行了研究。主要研究结果如下:
1.利用2009年夏季在西藏羊八井国际宇宙射线观测站获取的快慢天线闪电电场变化仪资料对该地区闪电活动的基本特征进行了分析,发现闪电主要发生在6～9月,其中8月最多,占闪电总数的58.2%。就日变化而言,闪电主要发生在下午,发生于17:00～19:00的闪电个数占闪电总数的65.1%。闪电频数最大值为9 fl/min,平均值为1 fl/min。
2.分析了2008～2010年西藏羊八井国际宇宙射线观测站中子监测器和大气平均电场仪的同步观测资料,发现27次雷暴期间中子监测器计数率发生明显变化,显著性S＞5σ,其中13次变化显著,显著性S＞10σ。显著性S＞10σ的13次个例信号变化百分比与地面电场场强幅值之间存在大体一致的变化趋势,而显著性在5σ＜S＜10σ之间的14次个例信号变化百分比与地面电场场强幅值之间不存在相似的变化趋势。较强雷暴当顶时中子监测器计数率变化一般不明显,而中子监测器计数率变化明显的个例多发生于雷暴云不当项,但探测器仍处于雷暴云下部正电荷层的控制范围之内时,或者当顶雷暴处于形成或耗散阶段。
3.通过对TGFs现象和与雷暴、闪电有关的高能辐射现象的观测事实和物理机制探讨的回顾与分析,初步提出了闪电提供种子电子—雷暴云电场中逃逸击穿产生TGFs的观点。认为闪电产生的是x射线、能量相对较低的伽马射线和高能电子,如果闪电附近存在未被放电的场强超过逃逸击穿阈值其空间尺度足够大的电场区域,这些高能辐射进入该电场区域成为逃逸击穿的种子电子并引发逃逸击穿。逃逸击穿的相对论电子轫致辐射产生伽马射线,如果伽马射线向上传输穿过大气层并被卫星探测到,就是TGFs;如果向下传输被地面的仪器探测到就是与云内闪电过程有关的伽马射线事件。本观点对与雷暴、闪电有关的高能辐射现象和卫星探测到的TGFs事件的很多特征给出较合理的定性解释。
4.本文提出双向流光是由逃逸击穿的高能电子诱导产生的观点。逃逸电子在先导前方几十米或者更小的范围内形成逃逸电子雪崩,从先导尖端向前逃逸电子和热电子的密度按距离的指数增加。在场强超过传统击穿阈值的空间范围内,热电子密度最大的位置产生的电子雪崩最多,形成双向流光的可能性最大。热电子密度分布与先导前方电场强度分布的对比发现,闪电先导头部前方场强达到传统击穿阈值的位置产生流光的可能性最大,这个位置由先导电荷的线密度决定。本文的计算结果与观测发现的双向流光产生的位置基本一致。
5。通过对闪电通道中等离子体波动的初步研究发现,回击和M分量等较大电流脉冲过后,频率在1012～1013Hz范围内的电磁辐射有一部分来自Langmuir波振荡。理论上指出地面观测发现的上行正先导产生的高能辐射可能有两个来源:电流脉冲本身和电流脉冲后面的第一个Langmuir波;而地面观测到的下行负先导产生的高能辐射来自电流脉冲本身。闪电通道中可能发生小区域的传统击穿,即闪电通道有小区域的突然发光现象,这样的闪光事件既不向下运动也不向上运动,仅限于局部发光。