西南交通大學(xué)現(xiàn)代物理研究所

某個炎熱夏日午后，天空烏云密布，一場雷暴天氣襲擊了上海外灘，轟隆隆的雷聲不絕于耳，還不時看到耀眼的閃電。圖1照片中拍下的正是這次雷暴天氣中上海東方明珠塔上出現(xiàn)的閃電。

圖1上海出現(xiàn)雷暴天氣，東方明珠上空現(xiàn)閃電

(圖片來自百度百科)

雷暴是自然界最為壯觀和重要的大氣現(xiàn)象之一，常發(fā)生于熱帶和溫帶地區(qū)的春季和夏季午后。雷暴天氣發(fā)生時可伴隨有雷擊、閃電、強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)降水。雷暴天氣從雷暴云的出現(xiàn)到消失，有很強(qiáng)的局地性和突發(fā)性，空間水平范圍從幾千米到上百千米，在時間上持續(xù)幾十分鐘到數(shù)小時，有些可以持續(xù)十幾小時。

強(qiáng)雷暴天氣引起的災(zāi)害是世界十大自然災(zāi)害之一，具有巨大破壞性。中國每年因閃電傷亡的人數(shù)達(dá)上千人，世界森林火災(zāi)有很大一部分是由閃電引起的，受災(zāi)行業(yè)涉及航天航空、國防、通訊、計算機(jī)、電力輸送、電子工業(yè)、石油化工、礦山、鐵路干線、建筑等很多部門。

實際上對雷暴這種自然現(xiàn)象的記錄可以追溯至人類文明的早期。中國古代、古羅馬和美洲古文明都有關(guān)于雷暴的神話。

1752年，美國科學(xué)家本杰明·富蘭克林做了關(guān)于閃電的實驗，即風(fēng)箏實驗，對閃電進(jìn)行了深入研究，揭示了天上的閃電與人工摩擦產(chǎn)生的電具有完全相同的性質(zhì)。此后閃電一直受到人們的廣泛關(guān)注，是大氣科學(xué)的重要研究對象。隨著對雷暴探測技術(shù)的不斷改進(jìn)和提高，科學(xué)家們開展了大量研究，對雷暴閃電的形成機(jī)制、活動規(guī)律等有了深入了解。

圖2風(fēng)箏實驗(圖片來自百度百科)

雷暴，是由于空氣對流運動造成絕熱冷卻，使空氣中水汽飽和凝結(jié)而成的形狀如同底平頂突的饅頭的濃厚云體。云開始形成時，云中帶電粒子混亂分布，云整體上呈電中性。隨著云的發(fā)展，云中帶電粒子發(fā)展為有序的空間分布，在云內(nèi)形成正負(fù)電荷中心，正負(fù)電荷產(chǎn)生的電場強(qiáng)度也逐漸增強(qiáng)。到雷暴階段時，云內(nèi)形成很強(qiáng)的正負(fù)電荷中心，電場變?yōu)閺?qiáng)電場，電場強(qiáng)度可達(dá)80~280 kV/m。

雷暴云帶有電荷，其電荷分布結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，與氣象和地形條件有關(guān)，不同季節(jié)、地區(qū)的雷暴云電荷結(jié)構(gòu)也不完全一樣，同一次雷暴過程中的不同階段電荷結(jié)構(gòu)也不一樣，上升氣流區(qū)和下沉氣流區(qū)中的也不一樣。

20世紀(jì)初，現(xiàn)代雷暴電學(xué)領(lǐng)域兩位奠基人威爾遜和辛普森分別利用不同的探測手段，開始對雷暴云電荷結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。威爾遜第一個利用靜電場測量來推斷雷暴云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)與閃電中電荷量，而辛普森及其同事們開展的云內(nèi)電場探空則提供了雷暴云電荷結(jié)構(gòu)的直接科學(xué)證據(jù)。

雷暴云電荷結(jié)構(gòu)大致可以分為偶極性結(jié)構(gòu)和三極性結(jié)構(gòu)，還有多極性結(jié)構(gòu)以及反極性結(jié)構(gòu)和傾斜式結(jié)構(gòu)等。偶極性結(jié)構(gòu)是指雷暴云內(nèi)空間電荷結(jié)構(gòu)是垂直偶極性的，上部荷正電荷，下部荷負(fù)電荷。辛普森等提出的雷暴云的三極性電荷結(jié)構(gòu)是指，地表7千米高度以上、溫度低于-20℃左右的區(qū)域有一個電荷量為24庫侖的正電荷區(qū)，2~7千米高度、溫度低于-7℃左右的區(qū)域有一個電荷量為-20庫侖的負(fù)電荷區(qū)，在2千米高度以下、溫度高于0℃附近還有一個電荷量為4庫侖的次正電荷區(qū)。三極性電荷結(jié)構(gòu)如圖3所示。盡管近年來的電場探空表明，雷暴云內(nèi)的電荷結(jié)構(gòu)較三極性電荷結(jié)構(gòu)可能要復(fù)雜得多，但是，時至今日，在很多情況下，單體雷暴云中的主要電荷區(qū)域仍常用經(jīng)典三極性電荷結(jié)構(gòu)來代表。

圖3雷暴云電荷分布與閃電示意圖(圖片來自王俊芳報告)

為了解釋雷暴云內(nèi)電荷的產(chǎn)生和分布，人們很早就開始了云內(nèi)起電機(jī)制研究，并提出了多種起電機(jī)制。這些起電機(jī)制可以分為微觀起電或粒子起電和宏觀起電機(jī)制。云內(nèi)有各種不同尺度及不同相態(tài)的水成物粒子(霰、雹、雪花、雨滴、冰晶等)，這些粒子間發(fā)生相互作用從而起電，這稱為微觀起電。另外云內(nèi)存在大尺度強(qiáng)上升氣流，考慮雷暴云內(nèi)的對流、傳導(dǎo)、離子擴(kuò)散和湍流擴(kuò)散等過程產(chǎn)生云不同部位荷電不同極性電荷，這稱為宏觀起電。實驗室內(nèi)各種試驗和野外觀測以及數(shù)值模擬試驗結(jié)果認(rèn)為，非感應(yīng)起電、感應(yīng)起電、次生冰晶起電等微觀起電機(jī)制和離子擴(kuò)散起電、離子電導(dǎo)捕獲和對流起電等宏觀起電機(jī)制是重要的雷暴云起電機(jī)制。

非感應(yīng)起電機(jī)制被認(rèn)為是最重要的起電機(jī)制，研究發(fā)現(xiàn)，大(霰粒或軟雹)小(冰晶)冰相粒子之間在碰撞、彈開的過程中，在兩個粒子之間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。在合適的溫度和液態(tài)水含量時，霰粒帶負(fù)電，冰晶帶正電。在流場和重力作用下，大、小粒子宏觀上分層分布，使雷暴云呈現(xiàn)上正下負(fù)的電荷分布。

感應(yīng)起電機(jī)制如圖4所示，在電離層形成的外電場的作用下，大雨滴和小云滴被極化，如果電場垂直向下，則雨滴和云滴上半部極化為負(fù)電，下半部極化為正電。大雨滴向下運動過程中，與向上運動的小云滴相遇發(fā)生碰撞，交換電量，荷正電荷的云滴向云的上部運動，荷負(fù)電荷的雨滴向云的下部運動，從而形成云中上部為正、下部為負(fù)的電荷中心。

圖4雷暴云感應(yīng)起電機(jī)制示意圖

離子擴(kuò)散起電是指，上述感應(yīng)起電機(jī)制中所說的極化水成物粒子降落速度以及正負(fù)離子遷移率的差別，通過電導(dǎo)吸附將使水成物粒子荷電的過程。

雷暴云中的電荷起電機(jī)制，也就是云中正負(fù)電荷分離為不同極性荷電區(qū)的形成機(jī)制較為復(fù)雜。可能是一種起電機(jī)制起作用，也可能是多種起電機(jī)制綜合起作用。在多種起電機(jī)制綜合作用下，也可能是一種或幾種起電機(jī)制為主，其他起電機(jī)制為輔。

隨著雷暴云中正負(fù)電荷的不斷積累，當(dāng)云內(nèi)局部電場強(qiáng)度可以擊穿空氣(一般為2500~3000千伏每米(kV/m))時，便會激發(fā)閃電的發(fā)生。閃電就是雷暴云中不同符號荷電中心間發(fā)生的放電過程。放電過程中，閃道中的溫度驟增，使空氣體積急劇膨脹，從而產(chǎn)生沖擊波，導(dǎo)致強(qiáng)烈的雷鳴。根據(jù)閃電部位，閃電可分為云閃和地閃兩大類。如圖3所示，云閃是指不與大地和地面物體發(fā)生接觸的閃電，包括云內(nèi)閃電、云間閃電和云空閃電。地閃是指云內(nèi)荷電中心與大地和地面物體之間的放電過程。

閃電產(chǎn)生強(qiáng)電流，引起強(qiáng)電磁輻射和靜電場的變化。閃電具有持續(xù)時間短(10^-7~1秒)、發(fā)展速度快(10⁴~10⁸米每秒)、空間尺度跨度大(從分子尺度到米量級再到幾十上百千米)等特點。

20世紀(jì)90年代，人們利用飛機(jī)、氣球和衛(wèi)星等搭載的探測器發(fā)現(xiàn)了在雷暴云內(nèi)和雷暴云頂存在著的比可見光子能量更高的高能光子輻射現(xiàn)象，比如地球伽馬閃(TGF)。后來利用地面和高山上的探測器也發(fā)現(xiàn)了由雷電過程直接產(chǎn)生的高能光子輻射。

這些有趣的新現(xiàn)象和新進(jìn)展，進(jìn)一步引起了物理學(xué)、大氣科學(xué)、空間物理、天體物理等學(xué)科交叉研究的興趣。其中宇宙線與大氣電場、雷暴閃電觸發(fā)等的關(guān)系是宇宙線研究學(xué)者關(guān)注的一個重要領(lǐng)域。

宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子流，其發(fā)現(xiàn)就來自于對地球大氣電離現(xiàn)象的研究。人們很早就發(fā)現(xiàn)空氣中存在著電離現(xiàn)象，并認(rèn)為這種電離是地面輻射造成的，而且輻射越強(qiáng)，空氣電離度就越高。空氣電離度可以用電離室來進(jìn)行測定。1911年開始，氣球飛行業(yè)余愛好者，奧地利物理學(xué)家赫斯(圖5)將電離室吊在氣球下，飛離地面，來測量空氣電離度隨著距離地面高度的變化，結(jié)果顯示在海拔5000米的高空，造成空氣電離的輻射強(qiáng)度竟然是地面的9倍。由于白天和夜間測量結(jié)果相同，因此赫斯斷定這種造成空氣電離的輻射射線不是來源于太陽的照射，而是來自于宇宙空間。最初，這種輻射被稱為“赫斯輻射”，后來被正式命名為“宇宙射線”，簡稱為宇宙線。現(xiàn)在我們把宇宙線認(rèn)為是來自宇宙空間的高能粒子流的總稱，是地球環(huán)境背景輻射的組成部分。這里所說的背景輻射是指我們生活的地球環(huán)境中廣泛存在著的輻射，除了宇宙線外，還包括地表輻射和人體內(nèi)輻射等。

圖5宇宙線的發(fā)現(xiàn)者赫斯

宇宙線主要由質(zhì)子、氦核等原子核組成，也含有少量電子和中性的伽馬射線。盡管在太陽和星際空間也可能產(chǎn)生這些粒子，但其主要來自于銀河系或銀河系外。它們在星系際和太陽系空間傳播，最后到達(dá)地球。宇宙線粒子的能量可以超過10²⁰電子伏特(eV,1電子伏特等于1.6×10^-19焦耳)，遠(yuǎn)超過地球上的粒子加速器可以達(dá)到的能量(10¹³eV)。從宇宙線研究中，人們發(fā)現(xiàn)了正電子、繆子和π介子等，開創(chuàng)了粒子物理這門學(xué)科。宇宙線研究一直也是天體物理學(xué)的重要領(lǐng)域。

在宇宙線研究中，我們把進(jìn)入地球大氣前的宇宙線粒子稱為原初宇宙線。原初宇宙線粒子進(jìn)入地球大氣后，與大氣中的氧、氮等原子核發(fā)生碰撞，并轉(zhuǎn)化生成次級宇宙線粒子，而高能宇宙線的次級粒子又將有足夠能量產(chǎn)生下一代粒子，如此下去，一級一級地產(chǎn)生轉(zhuǎn)化，將會產(chǎn)生一個龐大的粒子群。這種大范圍空氣簇射現(xiàn)象稱為宇宙線廣延大氣簇射(EAS)，法國人奧吉爾1938年在阿爾卑斯山觀測時首先發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。這些EAS次級粒子組成一個粒子盤以光速飛向地面。EAS次級粒子主要由帶電的電子、繆子、強(qiáng)子以及不帶電的光子、中子和中微子等組成。利用地面上大范圍探測器來記錄EAS粒子，可以對原初宇宙線以及宇宙線粒子與空氣相互作用過程進(jìn)行研究。

圖6宇宙線廣延空氣簇射現(xiàn)象示意圖(圖片來自百度圖片)

隨著人類科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，宇宙線對人類現(xiàn)代通訊和航空航天等活動的影響日益增加。宇宙線還存在對地球大氣過程和天氣的作用。宇宙線帶給地球的能量與天氣過程能量相比可以忽略，但宇宙線具有使空氣電離的能力，因此進(jìn)入地球環(huán)境中的宇宙線由于受到太陽活動的調(diào)制強(qiáng)度發(fā)生變化，可能導(dǎo)致地球天氣和氣候的變化，這或許是令全世界關(guān)注的地球氣候變化問題的原因或部分原因。人們對這一重大問題進(jìn)行了許多研究、討論和爭論，現(xiàn)在仍然存在著很大分歧。

宇宙線和太陽紫外線及地面輻射使大氣電離，形成大氣電離層。大氣電離層處于高度50到1000km的區(qū)域，相對于地面維持著一個約250 k V的電壓，形成了晴天大氣電場。在地球平坦地面附近，晴天大氣電場強(qiáng)度約為100~200伏每米(V/m)，指向地面。各地大氣電場的實際數(shù)值取決于當(dāng)?shù)氐臈l件，如大氣中的塵埃、地貌以及季節(jié)和時間等。大氣電場變化可以提供天氣變化和環(huán)境變化的重要信息，是一個重要的氣象參量。雷暴云內(nèi)探測到的電場強(qiáng)度80~280 kV/m，小于空氣擊穿電場的閾值2500~3000 kV/m，也就是說雷暴云內(nèi)部一直未能找到一個足夠強(qiáng)的電場能自然激發(fā)閃電。閃電始發(fā)機(jī)制一直長期被關(guān)注，但還沒有被充分理解和認(rèn)識。

自1924年Wilson首次指出雷暴云中的強(qiáng)電場可以把宇宙線次級粒子中質(zhì)量很小的電子加速到很高的能量，并提出“逃逸電子”的概念以來，這種發(fā)生于雷暴云內(nèi)的高能現(xiàn)象就成了大氣物理學(xué)中的研究熱點。1992年Alex VGurevich等提出一種新的宇宙線引發(fā)閃電的理論。認(rèn)為宇宙線次級粒子中能量約1兆電子伏特(MeV,10⁶eV)的電子可被雷暴電場加速，當(dāng)獲得足夠高的能量時，會使空氣分子電離產(chǎn)生新的電子，新產(chǎn)生的自由電子又被電場加速，從而發(fā)生雪崩效應(yīng)，使得電子數(shù)目呈指數(shù)增長。通過這種相對論電子逃逸雪崩(RREA)過程來增加帶電粒子的數(shù)量，從而觸發(fā)閃電的大規(guī)模能量釋放。也就是說宇宙線的廣延大氣簇射是引發(fā)閃電的催化劑。多年來，很多科學(xué)家試圖通過衛(wèi)星實驗去探測來自地球的伽馬射線閃現(xiàn)象(TGFs)、通過地面宇宙線觀測實驗去尋找雷暴期間地面宇宙線次級粒子突然增強(qiáng)的現(xiàn)象(TGEs)，進(jìn)而探尋雷暴電場加速宇宙線產(chǎn)生的高能粒子。如圖7所示。

圖7雷暴閃電與宇宙線EAS次級粒子聯(lián)系示意圖

盡管目前已確信導(dǎo)致閃電的原因是某種逃逸崩潰，也有一定的間接證據(jù)表明這種逃逸崩潰可能由在云層之上的宇宙線引起，但還不能肯定逃逸崩潰都是由宇宙線引起的。對宇宙線強(qiáng)度和雷暴大氣電場變化間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行直接測量和分析研究，對上述問題的解決至關(guān)重要。另一方面雷暴云中的大氣電場對宇宙線空氣簇射的發(fā)展過程有何影響，也是宇宙線物理地面觀測研究中特別關(guān)注的問題。宇宙線與大氣電場間的關(guān)聯(lián)研究也可以提供宇宙線粒子與大氣相互作用、在大氣中傳播過程的重要信息。

總之，宇宙線與大氣電場間的關(guān)聯(lián)，特別是宇宙線流強(qiáng)有較大變化期間和雷暴期間二者的關(guān)聯(lián)是一個重要的、有理論和實際意義的交叉學(xué)科前沿問題。

大氣電場特別是雷暴云大氣電場可以加速或者減速帶電的EAS次級粒子從而改變EAS事例的大小，因此，地面探測的宇宙線計數(shù)率將會隨著大氣電場而變化。另一方面EAS次級粒子在雷暴云中也會輻射產(chǎn)生新的更多的次級粒子，有可能觸發(fā)閃電。閃電必須形成一條穿透云層的導(dǎo)電通道，人們至今仍不清楚，宇宙線誘發(fā)的逃逸崩潰所產(chǎn)生的大規(guī)模擴(kuò)散放電，如何形成這樣一條狹窄的高溫通道。這也成為世界上各個研究組開展研究的重點和熱點。Alexeyenko等人于1985年第一次通過地面探測實驗發(fā)現(xiàn)了雷暴期間地面探測的次級宇宙線強(qiáng)度變化。EAS-TOP實驗也記錄到了雷暴期間EAS計數(shù)率10%~15%的變化，而且把這種變化解釋為強(qiáng)電場對EAS次級粒子的加速結(jié)果；Khaerdinov等發(fā)現(xiàn)閃電前EAS次級粒子強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，并理解為發(fā)生了強(qiáng)電場中的逃逸電子；Buitink等模擬計算了大氣電場對宇宙線次級粒子的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電場大于一定閾值時可能出現(xiàn)逃逸電子崩潰。

中國科研人員早在20世紀(jì)80年代末就開始在西藏羊八井建設(shè)宇宙線地面觀測站，研究宇宙線的起源等宇宙線物理中的基本問題。

位于地球低緯度的西藏羊八井宇宙線觀測站是世界著名的宇宙線觀測站，對宇宙線的觀測具有獨特的地理優(yōu)勢，可以很好地監(jiān)測宇宙線強(qiáng)度的變化。其中中意合作ARGO-YBJ實驗作為世界上大面積全覆蓋地面EAS觀測實驗，積累了大量宇宙線數(shù)據(jù)和部分大氣電場數(shù)據(jù)。利用這些數(shù)據(jù)，科學(xué)家們也開展了宇宙線物理與大氣科學(xué)交叉問題研究。

圖8西藏羊八井宇宙線觀測站

左邊為中日合作ASγ實驗，右側(cè)大廳為中意合作ARGO實驗

2008年8月起，郄秀書團(tuán)隊在羊八井宇宙線觀測站內(nèi)開始記錄測量雷暴電場、晴天大氣電場和閃電，結(jié)果顯示，羊八井地區(qū)雷暴云主要是三層電荷結(jié)構(gòu)，下部正電荷層較大；羊八井地區(qū)閃電活動發(fā)生在5~9月份，閃電個數(shù)7、8月份最多，閃電大多發(fā)生在一天的午后至半夜，17:00~19:00閃電最多，地閃峰值滯后一些；正地閃很少，負(fù)地閃主要發(fā)生在雷暴云的耗散階段，這里的正地閃是指云中的正電荷對地放電形成的地閃，而負(fù)地閃指云中的負(fù)電荷對地放電；羊八井宇宙線觀測站中子堆探測器記錄的宇宙線計數(shù)率在雷暴期間有明顯變化。

西南交通大學(xué)宇宙線研究組研究了2011年和2012年夏季雷暴期間，西藏羊八井宇宙線觀測站ARGO-YBJ實驗測量到的EAS次級粒子計數(shù)率變化情況。結(jié)果顯示，雷暴期間，大氣電場劇烈變化，宇宙線廣延空氣簇射(EAS)次級粒子計數(shù)率也有顯著的變化。為了理解觀測到的實驗現(xiàn)象，對宇宙線粒子在空氣中的相互作用和傳播過程進(jìn)行了全蒙特卡羅模擬計算。模擬計算結(jié)果合理地解釋了上述觀測現(xiàn)象。

總之，宇宙線與雷暴閃電的關(guān)聯(lián)是一個重要的、有理論和實際意義的不斷發(fā)展的前沿交叉學(xué)科領(lǐng)域。

位于中國四川稻城的高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)(海拔4400米)是國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，該實驗采用多種手段，對進(jìn)入大氣層的宇宙線粒子進(jìn)行復(fù)合、精確測量，主要有1平方千米的閃爍體加地下繆子探測器(KM2A)、9萬平方米的水切倫科夫探測器陣列(WCDA)和18臺廣角大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列(WFCTA)組成，實驗效果圖如圖9所示。2021年全部實驗設(shè)備安裝完成并全面運行，圖10為LHAASO實驗俯瞰照片。

圖9 LHAASO實驗效果圖

圖10高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)

2021年，邊建設(shè)邊運行的LHAASO就取得了重大科研成果，發(fā)現(xiàn)首批“拍電子伏(PeV,10¹⁵eV)加速器”和最高能量光子，開啟“超高能伽馬天文學(xué)”時代。這也充分展示了LHAASO的先進(jìn)性和實驗的靈敏度，以及擁有的低閾能、大有效面積、大視場和全天候等優(yōu)勢。LHAASO實驗站場內(nèi)，還安裝有云量儀、大氣電場儀、閃電光學(xué)觀測和射頻三維成像儀等，通過多手段同步觀測雷暴閃電，探究高原閃電和雷暴電荷結(jié)構(gòu)特征與機(jī)理，與高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)對高能宇宙線粒子的復(fù)合觀測相結(jié)合，對雷暴閃電過程相關(guān)的宇宙線高能粒子規(guī)律進(jìn)行細(xì)致研究，有望取得突破性的進(jìn)展。