[論文レビュー] Electron Acceleration Mechanisms in Thunderstorms

Sébastien Célestin|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2016

Lightning and Electromagnetic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、強力な電界によって駆動される相対論的ランナウェイ電子アバランチ（RREAs）に焦点を当て、雷雲内での高エネルギー電子加速メカニズムをレビューしている。二次的宇宙線がこれらのプロセスを始動させ、地上ガンマ線フラッシュ（TGFs）、ガンマ線グロー、電子／陽電子ビームを生成することを説明しており、TARANIS や ASIM といった近い将来の宇宙ミッションが、TGF の起源と粒子ダイナミクスに関する主要な不確実性を解消する予定である。

ABSTRACT

Thunderstorms produce strong electric fields over regions on the order of kilometer. The corresponding electric potential differences are on the order of 100 MV. Secondary cosmic rays reaching these regions may be significantly accelerated and even amplified in relativistic runaway avalanche processes. These phenomena lead to enhancements of the high-energy background radiation observed by detectors on the ground and on board aircraft. Moreover, intense submillisecond gamma-ray bursts named terrestrial gamma-ray flashes (TGFs) produced in thunderstorms are detected from low Earth orbit satellites. When passing through the atmosphere, these gamma-rays are recognized to produce secondary relativistic electrons and positrons rapidly trapped in the geomagnetic field and injected into the near-Earth space environment. In the present work, we attempt to give an overview of the current state of research on high-energy phenomena associated with thunderstorms.

研究の動機と目的

• 大気科学、宇宙物理学、高エネルギー現象を結ぶ急速に発展する学際分野である高エネルギー大気物理学の包括的概要を提供すること。
• 特に相対論的ランナウェイ電子アバランチ（RREAs）と熱的ランナウェイ過程を含む、雷雲内での電子加速の物理的メカニズムを明確にすること。
• 二次的宇宙線が雷雲活動中の高エネルギー放射を増幅する過程の鍵をなす種粒子として果たす重要な役割を強調すること。
• TGF および関連する高エネルギー粒子バーストを高精度に研究することを目的とした、将来的な宇宙ミッション（TARANIS と ASIM）を提示すること。
• TGF 発生に関する矛盾する理論的モデルを統合すること、特に雷雲のリーダー電場による局所的加速と雷雲電場内での大規模な RREAs の両者を比較検討すること。

提案手法

• 衛星ミッション（BATSE、RHESSI、AGILE、Fermi、TARANIS）および航空機・地上ベースの検出器からの観測データを統合し、TGF とガンマ線グローを分析する。
• TGF のエネルギースペクトルと時間的プロファイル（10 keV から >40 MeV）を分析し、相対論的電子のブレムストラール放出と相関付ける。
• 雷雲のリーダー電場および雷雲電場を駆動力として用いた相対論的ランナウェイ電子アバランチ（RREAs）による電子加速をモデル化する。
• TGF 発生の2つの競合理論を比較する：（1）雷雲リーダー電場によって引き起こされる局所的 RREAs と（2）宇宙線大気シャワーまたは熱的ランナウェイ電子によって種付けられる大規模な RREAs。
• 現在の機器の検出限界（例：飽和、パイルアップ効果）を評価し、XGRE（TARANIS 上搭載）などの新規機器がこれらの問題をどのように軽減するかを説明する。
• 電波放射、光学信号、粒子ビームのデータを統合し、TGF と雷放電、特に +IC 雷放電との関連を明確にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 雷雲内での地上ガンマ線フラッシュ（TGFs）発生の背後にある物理的メカニズムは何か？
• RQ2 二次的宇宙線は、雷雲電界内での相対論的電子アバランチの開始と増幅にどのように寄与するか？
• RQ3 雷雲リーダー、特にインパルス的イベントを示す負のリーダーは、ランナウェイ電子過程および TGF の発生をどのように引き起こすか？
• RQ4 なぜガンマ線グローは雷放電の直前に数秒間持続し、その後に終了するのか？また、TGF や RREAs とどのように関連しているか？
• RQ5 TARANIS や ASIM といった将来的なミッションは、デッドタイムや飽和といった機器的制限をどのように克服し、TGF および関連する電子／陽電子ビームを正確に測定できるか？

主な発見

• TGF は 1 ms 未満の短時間にわたる高エネルギー光子（10 keV から >40 MeV）のバーストであり、Fermi-GBM で検出可能な年間発生率は約 400,000 個と推定されている。
• TGF は特に +IC 雷放電と強く相関しており、10–14 km の高度から発生しており、相対論的電子のブレムストラール放出と整合的である。
• ガンマ線グローは数秒から数分にわたって持続するが、持続的 RREAs に起因するとされ、雷雲電界内での二次的宇宙線の種付けによってよく説明できる。
• 雷雲地上増強（TGEs）とガンマ線グローは類似したエネルギースペクトルを示しており、RREAs が共通の起源であることを示唆しており、電流は雷放電と降水電流と同等の大きさである。
• TGF 発生の2つの主要理論が共存している：（1）雷雲リーダー電場によって引き起こされる局所的 RREAs と（2）宇宙線大気シャワーまたは熱的ランナウェイ電子によって種付けられる大規模な RREAs。両者とも TGF に寄与している可能性がある。
• 近い将来の TARANIS と ASIM ミッションでは、高速タイミング、短いデッドタイム、電子・光子識別機能を備えた高度な検出器（例：TARANIS 上搭載の XGRE）を搭載し、TGF およびビームダイナミクスを画期的な精度で解明できるようになる。