雷雨中真正的爆發 Chance of thunder—and gamma-ray flashes

Physics 4, 1 (2011)DOI: 10.1103/Physics.4.1

圖一

意大利的科學家報告可以從太空觀察到雷陣雨中的伽瑪射線，稱為地面伽瑪射線閃爍（TGFs）。 他們的分析[ 1 ]表明，大氣層中的風暴有時會產生能量高達 100 兆電子伏的電子爆發 。 雖然確切的機制尚不明朗，這些電子被認為是由雷雨雲中強電場所加速。 由於高能電子通過空氣傳播，它們會發射軔致輻射光子，然後可以被數百公里之外在太空的偵測器觀察到。 這些觀察是由亦大義新的太空船Space Agency’s AGILE 所觀察到[ 1 ]。 了解雷雨如何能夠產生如此高能伽瑪射線能告訴我們更多關於風暴內所發生的事情以及什麼時候會雷擊會發生，這些問題，從富蘭克林的風箏實驗到現在已經有250年了。

在粒子加速器中，如大型強子對撞機，或是自然的加速器，如超新星爆發，日冕物質拋射，或太陽耀斑。 在所有這些情況下，在亞原子粒子在局部真空下被加速局。 因此，事實上，把雷陣雨視為強大的粒子加速器可能似乎有悖常理。 不過，我們現在知道，雷陣雨，閃電，可以產生非常高能量的電子，正電子，X射線和伽瑪射線。 一般情情況下人們觀察由高能電子和正電子所產生的X射線和伽瑪射線。 例如，高達數 兆電子伏 X射線可以由從自然和火箭觸發閃電[ 2 ， 3 ]中被觀察，持續幾秒的伽馬射線爆發也已偶爾在雷雨中被觀察到[ 4 ]。 其中一類很迷人觀測是，持續毫秒之久的伽馬射線爆發或所謂地面伽瑪射線閃爍或TGFs，是由BATSE儀器船上的Compton Gamma-ray Observatory（CGRO）首次於九十年代初[ 5 ]發現。 起初，大多數研究人員認為，閃爍來自高空放電稱為(sprites) 精靈。 然而，最近幾個獨立行研究表明，TGFs實際上是雷雨（圖1）所產生，遠低於我們的大氣層高度[ 6 ， 7 ]。 有趣的是，在同大氣一高度，也商業飛機的例行飛行的地方，所以應該提高飛行有關輻射危害關注 [8 ]。

這是普遍認為TGFs中的伽馬射線來自於韌致輻射(軔致輻射，又稱剎車輻射或制動輻射（Bremsstrahlung, braking radiation），原指高速運動的電子驟然減速時發出的輻射，後來泛指帶電粒子與原子或原子核發生碰撞時突然減速發出的輻射。)。電子是由相對論電子雪崩機制所產生（有時被稱為runaway breakdown）。 內部雷雨雲，電場可以足夠大，那麼快的速度從電子獲得能量場率大於它們失去能量與分子的相互作用在空中。 這些電子能夠從電場獲得大量的能量， 除了由runaway breakdown產生的電子以外, 電子經由跟空氣分子的彈性碰撞也可以產生額外的電子在空氣中傳播。 其結果是雪崩的高能量電子，所以電子在數量與距離成指數成長[ 9 ]。 由於能量增益的跟電子雪崩過程的成長率是緊密聯繫在一起，電子能譜的變化隨 e-folding energy約 7 兆電子伏 下降 （ energy spectrum varies as exp(-E/7 MeV) ，跟空氣密度，濕度，降水，或細節的電場等無關。 然而，總電位差風暴和內部的電場強度，最終限制了最大電子能量。

截至目前為止，詳細的測量的頻譜數據還有限。 例如，CGRO / BATSE只有四個探測器在能量到幾百千電子伏。 飛船的RHESSI做許多TGFs重要特性測量的但也只能測量能量高達 20 兆電子伏 [ 6 ]。 最近，FERMI/GBM已經發現了一些伽瑪射線達到 40 兆電子伏 [ 10 ]。 在AGILE 上測量的伽馬射線讀Mini-Calorimeter detector (MCAL)可以量測 350 千電子伏 - 100 兆電子伏 範圍，使其非常適合用於測量TGFs。 新的數據表明電子能譜在TGFs向上延伸到 100 兆電子伏 。 這表明以往的觀測跟實際發生在風暴內的事件有很大的差異。 令人驚訝的是，沒有人知道什麼雷暴有能力生產這麼高的電場。 研究的困難在於必需要對電場做多點觀測。 當考慮到能量損失的電子在空氣中 100 兆電子伏 意味著雷暴可能達到幾百萬伏特的電位差可以在中等強度的電場產生， 更有趣的是這研究說在最高能量區域，指數率不再成立律。 這將是對目前標準的相對論逃逸電子雪崩模型的一個大挑戰，或許可能是一些其他的機制也參與了生產TGFs。 留給理論家摸不著頭腦續 想像不到還有什麼其他機制能在風暴中加速產生這種高能量粒子。

References

1. M. Tavani et al. (AGILE Team), Phys. Rev. Lett. 106, 018501 (2011).
2. C. B. Moore, K. B. Eack, G. D. Aulich, and W. Rison, Geophys. Res. Lett. 28, 2141 (2001).
3. J. R. Dwyer, M. A. Uman, H. K. Rassoul, M. Al-Dayeh, E. L. Caraway, J. Jerauld, V. A. Rakov, D. M. Jordan, K. J. Rambo, V. Corbin, and B. Wright, Science 299, 694 (2003).
4. H. Tsuchiya et al., Phys. Rev. Lett. 99, 165002 (2007).
5. G. J. Fishman et al., Science 264, 1313 (1994).
6. J. R. Dwyer and D. M. Smith, Geophys. Res. Lett. 32, L22804 (2005).
7. S. A. Cummer, Y. Zhai, W. Hu, D. M. Smith, L. I. Lopez, and M. A. Stanley, Geophys. Res. Lett. 32, L08811 (2005).
8. J. R. Dwyer, D. M. Smith, M. A. Uman, Z. Saleh, B. Grefenstette, B. Hazelton, and H. K. Rassoul, J. Geophys. Res. 115, D09206(2010).
9. A. V. Gurevich, G. M. Milikh, and R. Roussel-Dupré, Phys. Lett. A 165, 463 (1992).
10. M. S. Briggs et al., J. Geophys. Res. 115, A07323 (2010).

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