闪电先导高频射电辐射的机理研究

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雷暴过程会产生多频段的射电辐射以及X射线和γ射线等高能辐射。其中高频段的射电辐射主要包括下行负地闪中的射电辐射以及与闪电预击穿过程相关的窄偶极性脉冲事件(NBEs)。这些辐射会对无线通信和电子器件造成严重干扰,并危害人体健康,因此研究闪电的不同辐射机制不仅能促进闪电物理科学的发展,对闪电灾害防护也有重要指导意义。雷暴过程中,射电辐射和高能辐射往往会同时出现,并与闪电梯级先导传播过程中的梯级先导尖端和流注密切相关,这表明辐射源存在于先导和流注中,但辐射的具体产生机制尚不完全清楚。本论文在流注尖端强电场产生逃逸电子的基础上,提出利用渡越辐射理论来解释闪电高频射电辐射的产生过程。首先,闪电等离子体先导通道是以离散梯级的形式向前传播,在主通道与空中先导连接时流注头部会产生非常强的电场。其次,由于热电子逃逸机制和相对论逃逸电子雪崩机制,流注头部会产生大量相对论逃逸电子。根据渡越辐射理论,高能电子在穿过不同介质界面时会产生电磁辐射损失。因此,流注头部产生的相对论逃逸电子在穿过流注与空气的交界面时,也会产生渡越辐射。我们从麦克斯韦方程出发推导了等离子体与空气交界面产生的渡越辐射场,然后利用空间分布为高斯型,能量分布分别为单能和玻尔兹曼分布的电子束,推导得到非相干渡越辐射(ITR)和相干渡越辐射(CTR)的能谱分布、远场辐射强度、辐射功率和辐射总能量的表达式。在此基础上对渡越辐射进行理论分析与数值计算,发现玻尔兹曼能量分布电子束与单能电子束产生的渡越辐射性质非常相似,电子束特征能量越大辐射越集中,在电子束空间特征参数很小时可以忽略ITR。与此同时,我们结合放电过程中的流注和辐射探测数据估计了流注尖端电子束的特征参数范围,并带入CTR的理论公式进行计算。计算结果显示,流注头部相对论逃逸电子所产生的CTR的能谱分布和辐射功率与实验探测到的射电辐射结果相符。因此,闪电高能电子的渡越辐射可以作为解释雷暴辐射的一种物理机制,尤其可用于解释放电先导中探测到的高频射电辐射和雷暴中的NBEs。该模型与流注尖端产生逃逸电子和轫致辐射的理论契合,对于解释先导中几乎同时被探测到的高能辐射与射电辐射具有重要意义。
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