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使用金星轨道飞行器Akatsuki与气辉相机启动闪电搜索
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摘要：金星大气层中是否存在闪电放电的争议已经持续了将近30多年，已发表报告里的观点迥然不同。金星轨道飞行器Akatsuki上的闪电与气辉相机（LAC），用于以足够高的采样率观察可能出现的流光光变曲线，以区分闪电和其它光源，从而可以更加明确地进行光发射。Akatsuki于2016年12月，即发射五年后抵达金星。闪电与气辉相机（LAC）到2016年11月初始运行，包括逐渐增加到雪崩光电二极管探测器的高电压。LAC于2016年12月开始进行闪电调查。确认已实现高压运行并且触发系统正常。LAC闪电搜寻观察计划将持续数年。
关键词：金星，闪电，流光，Akatsuki，闪电与气辉相机
介绍：
Takahashi等人使用光学和无线电波传感器以及航天器与地面望远镜，检测金星潜在闪电的观测已有30多年（2008）。但是，科学界尚未就该星球上的闪电是否存在达成共识。持续争议的主要原因可能是区分自然闪电特征与其它暂态噪声来源。航天器上的接收机在低频（VLF）和高频（HF）范围内，已经记录了暂态信号可能源于闪电信号（例如：Russell1991；Gurnett等人，1991年，2001年）。然而，这些波也有可能由其它来源引起，例如来自在空间环境中放电的航天器设备，或者空间等离子体的不稳定性。Borucki等人（1981年，1991年）调查了由金星轨道飞行器得到的数据，该数据表明航天器的运行带来流光，也表明了飞行器对闪电的敏感度。但是，该传感器也记录了由入射在探测器上的宇宙射线而引起的脉冲，并且传感器对于电子器件产生的脉冲无法与闪电区分开。作者试图在夜间观察磁盘，发现这种脉冲显著增加，但没有发现有意义的闪电指示。Gurnett等人（1991年）还在伽利略号航天器飞越金星期间，使用高频接收器测量其脉冲，并对其分布进行统计，归纳出脉冲高度超过4sigma;的九种闪电脉冲。另一方面，Gurnett等人（2001年）在卡西尼航天器越过金星的两次飞行中发现，没有证据表明是因为闪电放电而引起的干扰（相同的仪器在后来的地球飞越过程中很容易检测到闪电发射）。Hansell等人（1995年）使用地面望远镜探测到了闪电。电荷耦合器件（CCD）相机的成像速率为18.8/秒，对于一次闪电而言其拍摄速度不足以超过一帧。因此，所记录的光斑是否像宇宙射线（或其他未知电噪声）那样会导致类似明显的特征，这条推论仍存在模糊性。
Krasnopolsky（1983a，b）在9号行星探测器可见气辉光谱仪上，发现流光在单独的70秒观察期间随机闪烁；相应的10号行星探测器却没有记录到这样的流光。如果9号行星探测器探测到的信号确实来源闪电，那么它们发生在5*的区域，闪烁率为0.002，平均流光持续时间为0.25s，在可见光范围内流光能量为2*J。Krasnopolsky（2006年）提出金星云中一氧化氮的检测，并认为闪电是低层大气中唯一合理的一氧化氮来源（尽管他注意到相关反应速率存在一些不确定性，并没有量化大气生产）。
将闪电特征与其它可能的噪声区分开的最佳方法，是将预期的流光持续时间和足够高节奏采样的闪电光线曲线（或“波形”）对比。这种波形由云的光传播路径分布确定，可以得出放电发生的深度。另一方面，探测器上的宇宙射线数值具有瞬时上升的特点，并且衰减常数仅由仪器电子设备确定。
仪器和观察方法：
LAC是一款用于测量地球以外行星闪电光变曲线的快速采样光学传感器。为了获取采样率，我们只能降低空间分辨率，使得雪崩光电二极管（APD）格式仅为4*8像素（总共32个像素）。虽然仪器的基本规格与Takahashi等人（2008年）列出的相同，飞机模型的采样率从50 kHz到31.25kHz。考虑到使用国际空间站上的实验模块（JEM）/全球闪电和射线测量（GLIMS）仪器的光度计测量，其光学闪电持续时间大约为1ms，LAC的采样间隔为30mu;s被认为是足够的。视场是8*，对应于距离金星表面约5000km，范围是700km*1400km，大约是所有观测值的最近距离平均值。考虑到金星闪电的未知参数，数据记录和触发逻辑被设计为适应各种流光的波形类型（图1）。触发逻辑使用每个像素工作，数据是仅针对第一个触发的像素记录。记录了的数据长度可以从2.048ms至2.096ms中选择。所确定的背景水平的持续时间（图1中的N）在0.02ms到8.192ms之间。最后的背景采样时间和触发时间（t）的差值是在0.512ms至32.768 ms之间。确定了4级阈值水平，而敏感度也由APD的高压控制。超过触发阈值（n）的必要持续时间被定义为n/t，其范围从1到8。凭借这种高度灵活的参数组合，可以触发存储各种类型的光学现象数据，不仅包括典型的云对地或云内闪电放电，也包括中低层大气中的瞬态发光事件（TLEs），产生蓝色流光和巨大喷射。Yair（2009年）和Perez-Invernon等人（2016年）讨论过这种TLEs在金星上出现的可能性。第一次试验，我们选择了一个正常雷电探测的参数集（已经过优化），数据长度=16.384ms，N=0.512ms，t=0.512ms，n/t=2，阈值=2位。在日本国立极地研究所使用2米的积分球进行单个像素灵敏度的绝对校准，结果显示相对灵敏度的变化与平均值相差约为plusmn;50%。我们在这里使用典型值进行讨论。
我们选择氧气OI-777-nm线用于闪电检测。基于实验室实验，预计大气中主要排放的是二氧化碳（Borucki 等人于1985年）。LAC OI-777nm滤波器的带宽（FWHM）和中心波长分别为9.0 nm和780.6nm。如果航天器位于金星表面5500 km以上，触发阈值约为地球闪电平均亮度的1/20，瞬间观察值（FOV）为全球的1/500。在这里，我们假设根据Boruki等人的照片光谱，总光学发射的40%来自OL-777-nm线（1985年）。然而，Krasnopolsky（2006年）指出，在Borucki等人更灵敏的光谱中，OL 777nm约为总光学发射的3%（1996年），它由连续的光亮介质起主导作用：在这种情况下，我们的探测门槛会更高，与地球上的平均闪电相当。
图1 触发逻辑的示意图
用于观察和设置APD高压的轨道条件：
2016年12月，Akatsuki成功插入金星周围的轨道，比原先预定的轨道长约8倍，但持续时间约为10天。LAC只能在金星的本影内供电，因为强烈的阳光会损坏探测器。因此，观察机会降低到原计划的1/8。随着观测频率的降低，细长的轨道导致近地点附近的航天器运动更加迅速，LAC可以在轨道上进行近距离夜间观察，这意味着一次旋转的观测持续时间比原始时间短。实际上，大多数观察期大约是20-30分钟，而最初的预计会话时间要比它长几倍。由于轨道参数的变化，每年的总观测期减少到不到原计划的10%。另外，插入金星周围轨道计划比原计划晚了5年，否则这些观测是完全不可能实现的，并且随着时间的推移，可能会对金星上的闪电活动造成重大限制。
LAC启动运行中最重要的任务是增加APD的高压电源。由于高压电源装置自2010年推出以来没有开启，因此需要小心操作，高压只能逐步增加超过10级。如前所述，该行动仅在金星本影的短暂持续时间内进行，因此，每个增量都是在不同的轨道上进行的。图2显示了APD的反向电压与2016年5月7日至11月9日期间操作的暗电流之间的关系。暗电流大约在预期曲线上，而偏离线被认为主要是由APD的温度波动引起的。
我们选择300V作为APD的施加电压，用于常规闪电观测，考虑到暗电流的水平，APD正常工作而没有严重的问题。在此电压下，LAC的灵敏度预计足以检测到5500km距离内强度为0.05至0.5的平均地球流光闪电，其具体情况取决于光谱分布。在我们观测的12000km范围内，阈值可能高达平均地球流光的2倍。
图2 2016年5月7日至11月9日8天内测量的APD反向电压与暗电流之间的关系
初步观察：
在LAC的闪电观测模式和标称高压为300V的条件下，进行8次闪电搜索，于2016年12月1日进行10-30分钟的持续观察。金星表面的距离在7500到12300km范围内，意味着平均瞬时覆盖率约为全球的1/500，触发阈值在这种情况下改变了约1.6倍。每次通过都有一些触发事件。然而，如果在两个采样间隔内都急剧增加，这意味着它们是由宇宙撞击引起的。到目前为止，尚未发现闪电的特征。已确认所有32个像素用于闪电检测宇宙射线事件并且所有像素的触发逻辑都能正常工作。此外，如果一些像素暴露在被散射阳光照射的金星上，它们会记录出合理的光线曲线。随着高电压的增加暗电流也增加，基于此现象，我们认为LAC整体按预期工作。
图3显示了一个快速查看数据的例子。表面板的数据表示航天器距金星表面的距离，第二面板表示触发脉冲的时间序列。在每个脉冲时间，我们检查了LAC的FOV到金星的投影。底部图是由宇宙射线引起的波形示例（闪电观测区域是行A-D）。宇宙射线脉冲的高度与闪电观察模式中设定的触发水平一致，这意味着触发逻辑和硬件正常。所有曲线显示相同的衰减周期，周期值为1.8ms，这是电子电路的设计和APD的温度所预期的。考虑到这些情况，如果它在FOV内部发生的亮度大于仪器阈值，则LAC足以捕获闪电。
2016年12月12日的历史暗影
未来的工作：
本次研究以我们选择的阈值进行触发并记录，航空器面板附近的流光由逻辑触发并提供饱和信号、LAC的光学和电子性能，包括其灵敏度。航空探测器即使在太空长途飞行之后也能正常记录数据。并且将来需要测量金星在轨观测数据的绝对灵敏度。其中的想法包括测量地球上发生闪电的数据，地球是LAC闪电观测模式中唯一足够明亮的天体目标。另一种可能性是用Akatsuki上的紫外成像仪（UVI）观察天体，并将其与UVI图像进行比较，其灵敏度可以从星形图像中计算得出。
多年以来我们希望继续进行闪电搜索业务。为了增加捕获事件的可能性，我们计划汲取地球上雷暴活动时间的经验，集中对金星进行夜间的观测。实际上，Hansell等人（1995年）报道的8种可能闪电事件中，Krasnopolsky（1983a，b）在傍晚发现了5种。我们还计划集中观察火山附近的光学瞬变，火山爆发可能导致云中的对流活动，或者流体本身可能会放电（如地球上）。Hashimoto和Imamura（2001年）讨论使用Akatsuki上的红外摄像机进行火山探测的可能性。Russell（1991年）研究了闪电的可能来源，包括活火山。
结论：
LAC的初始操作已经成功完成，包括应用于APD的高压操作电平。光学检测阈值是地球闪电平均强度的0.05-2倍。LAC的表现似乎是准确的，正如宇宙射线的检测和记录以及金星附近的昏暗光线所证明的那样，虽然目前轨道上闪电观测时间的工作周期比Akatsuki原计划轨道的工作时间小10倍，但未来几年的运行将持续提供稳定的统计数据。
作者的贡献：
YT为Akatsuki上LAC仪器的研究和设备的整个设计做出了贡献。MS和MI进行了LAC和数据分析的操作。RL参与了重要的科学讨论，它作为母语者也在帮助撰写。YY，KA和GF为观察和科学讨论的策略做出了贡献。MN担任Akatsuki项目的项目经理，负责监督科学定位。NI基于对科学目的的理解，负责卫星开发和运营，为LAC运营提供建议。TA，TI，MS，AY，TS，MY，HA为项目管理做出贡献，了解LAC的科学目标。TS担任Akatsuki项目的项目科学家，负责监督科学分析。CH基于对科学目的的理解，负责轨道设计和操作。GH，NH，SM，YY，KO，SO进行卫星数据处理。TF，KS，HK为卫星有效载荷运行做出了贡献并且完成所有作者阅读并认可的终稿。
参考文献
[1]Borucki WJ, Dyer JW, Thomas GZ, Jordan JC, Comstock DA (1981) Optical search for lightning on Venus. Geophys Res Lett 8:233–236. https ://doi.org/10.1029/GL008 i003p 00233
[2]Borucki WJ, Mc Kenze RL, McKay CP, Duong ND, Boac DS (1985) Spectra of simulated lightning on Venus, Jupiter, and Titan. Icarus 64:221–232. https://doi.org/10.1016/0019‑1035(85)90087‑9Medl ine
[3]Borucki WJ, Dyer JW, Phillips JR, Phan P (1991) Pioneer Venus orbiter search for Venusian lightning. J Geophys Res 96:11033–11043. https ://doi.org/10.1029/91JA0 1097
[4]Borucki WJ, McKay CP, Jebens D, Lakkaraju HS, Vanajakshi CT (1996) Spectral irradiance measurements of simulated lightning in planetary atmos‑pheres. Icarus 123(2):336–344
[5]Gurnett DA, Kurith WS, Roux A, Gen
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