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空間中心研究人員在全球閃電活動對短時宇宙線變化的響應研究中取得進展

文章來源: | 發布時間:2020-09-14 | 【打印】【關閉】

  近年來,宇宙線對全球天氣/氣候的影響逐漸受到學者們越來越多的關注和認可。作為地球大氣電離的主要電離源,宇宙線不斷與大氣粒子相互作用產生次級粒子,通過一系列的級聯反應改變大氣電離率、電導率以及電場強度,并通過傳導作用改變全球大氣電流環路以及整個地球大氣的電學環境。

  閃電活動不僅是大氣電學的核心過程、維持全球大氣電流環路的重要環節,而且是破壞力巨大、全球頻發的災害性天氣過程。因此,研究影響閃電活動變化的潛在因素具有重要的理論和現實意義。盡管氣象因素是激發并維持閃電活動的主導因素,但一些研究仍然表明閃電活動也會受到宇宙線,特別是銀河宇宙線,的調制作用,并且可以表現在十年到幾天的時間尺度上,如11年的太陽活動周和持續數天的宇宙線福布斯下降事件[Wu et al., 2019, JASTP]。

  作為地球附近宇宙線的來源之一,強烈太陽爆發活動引發的太陽高能粒子(SEP)對閃電活動的影響此前并未受到關注。少數SEP事件的能量級可達若干GeV,引起地面中子計數率在幾分鐘至半小時內迅速增大并在幾小時后恢復至初始水平,也被稱為地面增強(GLE)事件。考察全球閃電活動在GLE事件期間的響應為深入了解宇宙線對地球大氣電學環境的影響提供了一個全新的角度。一方面,GLE事件通常發生在幾分鐘至一小時內,在如此短的時間內,氣象因素的作用被盡可能被弱化,而宇宙線的作用則被突顯出來;另一方面,GLE事件表征的是宇宙線通量的急劇增長,可以與福布斯下降事件期間閃電活動減弱構成對比研究。

  因此,中國科學院國家空間科學中心空間天氣學國家重點實驗室王赤院士團隊的吳瓊博士生和李暉研究員,利用國際GLE數據庫所提供的GLE事件列表和全球閃電定位網(WWLLN)所觀測的地面閃電數據,研究了全球閃電活動對于宇宙線短時變化的響應規律。通過分析2005年1月20日、2006年12月13日及2012年5月17日的3個GLE事件期間閃電計數的相對變化,發現:(1)閃電活動對GLE事件期間宇宙線的增強呈正響應,且閃電計數的增長主要體現在GLE事件發生后20分鐘內;(2)閃電活動的響應幅度與GLE事件的強度成正比,GLE事件越強,閃電活動響應越明顯;(3)GLE事件對中高緯地區閃電活動的影響更顯著;(4)蒙特卡洛檢驗表明,閃電活動對GLE事件的響應具有統計意義,且GLE事件越強,檢驗所達到的置信水平越高。

  該項研究首次考慮全球閃電活動對GLE事件的響應,為深入了解宇宙線對大氣電學過程的影響提供了新的觀測證據。相關成果發表在國際期刊Frontiers in Physics上。

  Citation:

  Wu Q., Li H.* and Wang C. (2020) Short-Term Lightning Response to Ground Level Enhancements. Front. Phys. 8:348. doi: 10.3389/fphy.2020.00348

  圖一:2005年1月20日第69號GLE事件期間全球閃電活動的響應及相應的蒙特卡洛檢驗。

  圖二:2006年12月13日第70號GLE事件期間全球閃電活動的響應及相應的蒙特卡洛檢驗。

  圖三:2012年5月17日第71號GLE事件期間全球閃電活動的響應及相應的蒙特卡洛檢驗。

  表:GLE事件期間不同緯度區域閃電活動的響應

 

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