雷暴电场对LHAASO观测面宇宙线次级光子的影响

LHAASO实验利用到达探测器的宇宙线次级粒子来获取原初宇宙线信息,而次级粒子中成分最多的是光子.雷暴期间,大气电场会影响次级带电粒子,进而改变地面光子信息.本文利用Monte Carlo方法,模拟研究了近地雷暴电场对LHAASO观测面次级光子的影响.模拟中使用了一个厚度均匀、方向垂直于地面的电场模型.结果表明,雷暴电场中光子的数目和能量变化显著,且依赖于电场强度.当电场为-1000 V/cm时,光子数目增加23%,能谱变软,当能量小于2 MeV时,数目增加超过29%.当电场为1700 V/cm时,光子数目呈指数增长,达到279%,能谱相较于-1000 V/cm变得更软,当能量小于2 MeV时,数目增加超过361%,符合相对论电子逃逸雪崩机理.这些变化主要源于电子被大气电场加速,数目增加(-1000 V/cm中增加65%,17000 V/cm中增加992%),能谱变软.同时,高能自由电子通过轫致辐射产生光子,导致光子的数目和能量也发生变化,且变化趋势与电子的一致.本模拟结果有助于理解雷暴期间LHAASO实验数据变化特点,并为大气电场加速宇宙线次级带电粒子的物理机制提供信息.

雷暴电场对LHAASO观测面宇宙线次级粒子横向分布的影响

在雷暴电场的偏转作用下,宇宙线次级粒子到达探测面的位置将受到影响,其横向分布也将发生变化。本文采用Monte Carlo方法,研究雷暴期间LHAASO观测面(海拔约4400 m)宇宙线次级粒子横向分布的变化。结果表明,雷暴期间次级粒子的横向分布将变宽,其变化幅度与电场强度有关,与天顶角、原初能量也有很强的依赖关系。在–1700 V·cm–1的电场中,次级粒子横向分布的变化幅度在天顶角0°时为3.8%,天顶角50°时为34%;当原初能量约180 GeV时,次级粒子横向分布的变化幅度为9.9%,原初能量约560 TeV时,其变化幅度高达119%。本文的模拟结果可为理解雷暴电场偏转宇宙线次级粒子的物理机制、雷暴期间LHAASO中宇宙线数据的变化规律提供信息。

近地雷暴电场与羊八井地面宇宙线关联的模拟研究

雷暴期间地面宇宙线强度变化的研究对理解大气电场加速宇宙线次级带电粒子的物理机理具有重要意义.分析西藏羊八井ARGO实验中2012年大气电场的数据后发现,近地雷暴电场的强度可达1000 V/cm甚至更高.用Monte Carlo方法模拟研究了近地雷暴电场与羊八井地面宇宙线强度的关联.当雷暴电场强度(取1500 V/cm)大于逃逸电场时,宇宙线次级粒子中正、负电子的数目呈指数增长,在大气深度约520 g/cm2处达到极大值,与Gurevich等提出的相对论电子逃逸雪崩机理和Dwyer理论相符.当雷暴电场强度小于逃逸电场时,在所有负电场范围和大于600 V/cm的正电场范围,总电子数目随电场强度的增大而增加;当正电场小于400 V/cm时,总电子数目均出现一定幅度的下降;在电场为400—600 V/cm范围内,总电子数目的变化与原初粒子的能量有关,原初能量小于80 GeV时,其次级粒子中总电子数目增加,原初能量在80—120 GeV范围内时,总电子数目变化不明显,原初能量大于120 GeV时,总电子数目出现下降,下降幅度约4%.模拟结果可对羊八井ARGO实验的观测结果给予合理的解释.

雷暴电场对宇宙线次级粒子中电子的影响

雷暴期间宇宙线次级粒子强度变化与大气电场的关联研究,对分析大气电场加速宇宙线次级带电粒子的机制具有重要意义.采用Monte Carlo方法,模拟研究了雷暴电场对宇宙线次级粒子中电子强度的影响.结果显示,在强度为1000V·cm^(-1)的雷暴电场中,高海拔处电子数目呈指数增长,在大气深度约300g·cm^(-2)处达到极大值,与以往研究提出的相对论电子逃逸雪崩机制相符.模拟结果表明,在地面宇宙线观测实验中,要想得到明显的观测效应,雷暴电场距离探测面的高度应<600 m,电场厚度应达到约2000 m.模拟结果为分析雷暴电场与地面宇宙线次级粒子中电子强度的关联性提供了重要参考,为进一步模拟研究雷暴期间高山地面宇宙线强度的变化提供了重要信息.

雷暴电场对LHAASO探测面宇宙线次级粒子能量的影响

采用Monte Carlo方法,通过模拟研究了不同强度雷暴电场对LHAASO探测面宇宙线次级电子能量的影响.在电场作用下,电子的能量分布发生了变化.在低能段总电子数目增加明显,而在高能段电场的影响不明显.当电场强度为1700 V·cm-1(大于逃逸电场)时,能量<120MeV的电子被加速,能量<60MeV的总电子数目呈指数增长(增幅高达约2252%),雷暴电场对次级粒子的加速机制与相对论电子逃逸雪崩机制(RREA)相符.当电场强度为1000 V·cm-1(小于逃逸电场)时,能量<70 MeV的电子被加速,其数目明显增加,但是增幅(约86%)远小于逃逸电场时的幅度.对电场强度小于逃逸电场时的雷暴电场加速宇宙线次级粒子的物理机制进行了讨论.研究结果可为理解LHAASO实验数据特点以及研究雷暴期间宇宙线强度的变化等提供参考.

黄山风景区雷暴电场特征及预警方法研究

利用2011—2012年黄山风景区大气电场仪和闪电定位仪观测数据,统计分析了黄山风景区雷暴过程近地表静电场特征,并选取预报因子建立了雷电预警的预报方程。结果表明:黄山风景区雷暴地面电场以负电场为主导,雷暴过程多伴随电场的正跳变,闪电类型主要为负地闪。选取电场反转和电场差分值超过0.1 k V·m-1·s-1作为预警因子,采用多元回归方法对未来40 min内出现闪电的概率P建立雷电预警方程,建立的预报方程通过了F检验,表明P值大于0.4时预警效果较好,结合是否出现雷暴电场小波分解第七层高频分量的突变特征可以改进预警效果。

武汉二七长江大桥雷暴电场仿真模拟研究

为研究武汉二七长江大桥建设前后对雷暴大气电场的影响,利用IES电磁场仿真软件,采用BEM(边界元)方法模拟分析了二七长江大桥建设前后周围空间电场的变化,进一步细化分析了不同负电荷中心高度对大桥主塔及地面场强的影响。设定了8种不同位置的雷电先导,随先导的逐级递进模拟了主塔电场的变化,同时给出了电场空间分布图,分析了电场变化的特征,进而分析雷击点的可能性。结果表明,大桥建立以后,大桥塔顶部的电场强度明显增大;雷云中负电荷区的高度逐步降低,地面电场强度逐步增大;雷电先导与大桥主塔的相对位置决定了最可能的雷击点。

雷暴电场与飞行安全

雷暴云在全盛时期表现的狂风、暴雨、冰雹以及所产生的强大的电场,足以把任何飞机摧毁。虽然今天的航空技术有了飞速发展,但雷暴依然是飞行的禁区。本文仅分析由雷暴产生的电场对飞行安全的影响。一、雷暴电场的产生大气总是存在着电场,电离层的电位比地球表面要高出36万伏特,这样大的电位差,并没有引起放电,那是因为每一厘米距离上的电位差很小,

LHAASO实验中宇宙线次级粒子特性的模拟研究

高海拔宇宙线观测站(LHAASO)位于四川稻城海子山,海拔约4400 m,该实验采用多种手段,对进入大气层的宇宙线粒子进行精确的复合测量.高海拔区域,雷暴天气频繁,广延大气簇射中宇宙线次级粒子的数目、方向和能量都会受到雷暴电场的影响.本文利用Monte Carlo方法,模拟了宇宙线原初粒子进入大气层后的广延大气簇射过程,研究了次级粒子中光子、电子、μ子的纵向分布、横向分布和能量分布.结果表明,在LHAASO探测面,电子的数目比μ子多2~3倍、μ子横向分布范围比电子宽广、μ子的能量比电子大.若在雷暴期间,大气电场对电子(质量小、数目多)的影响将会更加明显.本工作对研究雷暴电场加速宇宙线次级带电粒子的物理机制具有重要意义,同时为理解地面实验的观测现象提供有用信息.

气溶胶浓度对雷暴云下地面尖端电晕放电的影响

尖端电晕放电是闪电先导触发的基础,而气溶胶作为电晕离子的载体,其浓度的不同可能会引起电晕放电特征的不同,进而影响闪电先导特征,但具体的影响程度尚未明确。为此,基于二维电晕粒子对流扩散模型,研究了不同气溶胶浓度(N_a)下的电晕放电特征,通过讨论雷暴云电场环境下,不同N_a对60 m高的塔尖周围电晕粒子时空演变的影响,揭示了尖端电晕电流(i_(cor))、空间电场(E)以及电晕电荷浓度(ρ)随N_a的变化关系。研究发现:1)当N_a低于10^(10)m^(-3)时,其对电晕放电的影响较小;当N_a高于10^(10)m^(-3)时,其影响相对明显。2)对比N_a分别为10~9和10^(10)m^(-3)两种情况,高塔尖端上空几十米范围,E差异达4 kV m^(-1)左右;上空一百米左右范围内,ρ的差异可超过1 nC m^(-3); i_(cor)峰值差异可达10%。3) i_(cor)峰值与N_a两者呈线性递减关系。因此,在实际的避雷针尖端放电研究或雷电防护设计中,当N_a大于10^(10)m^(-3)时,需考虑其对尖端放电的影响,而对于较为干净的大气环境,则可以忽略气溶胶的影响。