摘要：雷电放电会有强静电场和电磁辐射场产生，影响空间电离层。雷电放电电离层扰动主要表现为直接和间接耦合；雷电放电会导致电离层从D层到F层电磁密度分布发生变化，在辐射带上会有闪电诱导电子沉降事件现象。所以，研究新疆阿图什市雷电放电活动对电离层影响具有重要作用。
关键词：雷电放电；电离层；影响；电子沉降
1阿图什市雷暴特征
结合阿图什市1981~2010年逐月雷暴日数分析雷暴特征（图1），近30年阿图什市年平均雷暴日数24.5d，雷暴集中在夏季，雷暴日数是全年73.9%，其次是春季，占全年14.7%。11~12月及1~2月几乎无雷暴天气，以6月雷暴日数最多，其次是7月。
图1 阿图什市1981~2010年逐月平均雷暴日数
2雷电和电离层直接耦合作用
2.1快VLF事件现象和物力机制
雷电引起的闪电诱导电子沉降事件发射信号延迟时间约1s，而VLF事件则是对流层闪电产生的VLF信号与电离层底部直接耦合结果。相关研究结果表明，快的VLF事件同雷电和电离层直接耦合关系密切。与闪电诱导电子沉降事件产生机制有差异，雷电和电离层直接耦合表现在闪电产生电磁脉冲和准静电场直接在电离层上作用结果。出现在雷电和地面直接的电闪回击大电流特征明显，会有强大电磁辐射，最早发现对电离层影响。另外，雷电放电后产生准静电场，尤其夜间低电离层高度上则有比该区域高的大气击穿电场，易引发大气雪崩电离，导致该区域电子浓度变化。电离层底部，雷电放电准静电场可持续对电子加热，造成几百公里区域电子浓度和电导率均变化，在电磁脉冲作用下电离层D区电子密度加大，这就是最著名淘气精灵现象。
2.2中高层大气放电
50~90km中高层大气中会出现光学现象，持续毫秒，以淘气精灵和红闪两类。其中淘气精灵出现在85~90km高度低电流层，水平方向可拓宽到200~600km圆盘状瞬态光学事件，以红色为主，是当前发现高度最高、水平尺度最大中层大气放电现象。淘气精灵和雷电放电关系密切。雷电放电产生电场，包括辐射场和准静电场，放电电流脉冲产生的辐射场形成淘气精灵，而辐射场电场强度同偶级辐射电场强度分布有极相似管子，但在地面附近辐射电场强度较大，而在雷电放电正上方电场强度恰相反。闪电电磁脉冲和电离层相互作用产生红闪。
3雷电和电离层的间接耦合作用
3.1雷电放电诱导的电子沉降现象
雷电和中层大气、低电离层耦合包括间接耦合、直接耦合。其中闪电诱导电子沉降现象是间接耦合中典型代表，是雷电对电离层产生影响最直接表现形式之一，同时也是发现最早研究最广泛的放电对电力层影响事件，雷电出现时电离层内电子密度发生明显变化。在使用火箭对晚间雷电放电和电子沉降数据同步观测过程中，得到放电引起的大于40keV电子沉降能量与通量要比21.4kH的闪电诱导电子沉降信号传输引起的电子沉降要大，由此得出雷电可以将磁层电离辐射源激活，对局部中层大气结构产生影响。因卫星具有全天候观测优势，卫星上携带的观测设备对闪电诱导电子沉降信号事件也得出更多观测结果，全球强闪电诱导电子沉降事件与雷电活动相关，电子通量要比背景能量两个数量级还要高；在100~300keV内，闪电诱导电子沉降与地基观测系统探测的闪电数据有很好关系，卫星经过雷暴上方时，闪电诱导电子沉降通量会增强。
3.2闪电诱导电子沉降发生物理过程
闪电诱导电子沉降现象与雷电低频VLF信号传输中磁层之间有紧密联系，雷电放电过程中将会使一定宽带VLF信号被激发出来，大部分VLF信号在地球-电流层波导中传播，同时也会有部分能量不断向电离层内渗入，同时在地球磁场线作用下进入磁层内部，与磁层内高能粒子辐射带高能电子相互作用，推动高能电子回旋运动，在逃逸后进入大气顶层，随后与中性大气分子发生碰撞，形成电子沉降，导致局部区域内电子密度异常。
雷电放电过程中会有电磁脉冲产生，并在地球-电离层波导中传播，其中一小部分能量在穿透电离层后会进入磁层内部。随后，频率较低哨声波会以0.01~0.1倍光速以倾斜于等离子球的方式或沿着波导轴向传输。大气层上部中性分子碰撞，在散射作用下，会造成电子从捕获轨道进入锥形反弹损失区域内，因这种沉降现象爆发方式明显，会造成电离层扰动，电子密度加大。电子密度增加过程中可以利用电离层对VLF传输信号相位和幅度改变对探测改变，或利用火箭和卫星测量。VLF信号哨声波和能量电子在从赤道区域传播到低电离层时需要较长时间，通常，雷电回击到VLF幅度和相位改变时间会有1s左右延迟，为VLF信号探测辨别闪电诱导电子沉降提供了参考。
3.3闪电诱导电子沉降的VLF探测
雷电放电过程中产生VLF信号，会在地球-电离层传输过程中携带传输路径信息。最初，人们发现VLF信号扰动主要受磁暴影响，但后发现长距离传输VLF信号幅度和信号突变，伴随闪电引起哨声，哨声能量会进入电离层，受电离影响，地球-电离层波导特性发生变化。一旦VLF信号在传播过程中需借助电离层时，在闪电诱导电子沉降作用下，电离层内电子密度变化，造成VLF信号传输路径转变，改变VLF反射信号幅度和相位。所以，在对闪电诱导电子沉降现象反演时可将发射和接收信号及传输路径结合。利用VLF信号探测电离层大型探测装置是电离层闪电全息成像阵列，通过不同区域内布置多个VLF探测站，对雷电中电离层现象研究，得出随着纬度增加，会延长电子沉降和闪电回击时间，这一结构在斜向哨声传输中提供重要参考依据。
4雷电放电对电离层E层和F层的影响
通常，电离层直接耦合对电离层底部作用明显，有很多研究也主要在雷电放电引起的电离层D层扰动方面。雷电上方电离层E层增强和减弱效应较明显，因电离层E层对无闪电低压系统几乎没有太大响应，所以，雷电放电过程中会使电离层E层发生变化，雷电和电离层E层波动部分原因可能是雷电放电向电离层能量转换或垂直放电。在雷电出现3h后，电离层F层垂直移动速度将会减小。即使太阳风磁场、热层风均会对F层产生影响，但是雷暴云电场对E层和F层影响则起到主导作用。
5结论
雷电放电和电离层之间间接耦合作用造成闪电诱导电子沉降事件，雷电放电静电场和电磁卖场则是直接耦合原因，推动了淘气精灵和闪光现象。不管是直接耦合还是间接耦合，雷电放电均会对电离层产生不同程度影响，需要引起研究人员高度关注。
参考文献:
[1]张义军,张阳.雷暴闪电放电活动对电离层影响的研究进展[J].应用气象学报,2016,27(5).
[2]黄文耿,古士芬.雷暴云准静电场对夜间电离层D区的影响[J].地球物理学报,2003,46(2).
论文作者:豆琴琴1,马明敏2
论文发表刊物:《防护工程》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/29
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