Analysis of nighttime streamer corona discharges in storm clouds with ASIM data

Abstract

[EN] The main objective of this doctoral thesis is to exhaustively study the corona-type electrical discharges that take place in storm clouds. Corona discharges are characterized, among other things, by transient optical emissions in the near ultraviolet and visible blue range (280 - 450 nm). This is why they have been called Blue LUminous Events (BLUEs). This thesis presents the first worldwide nighttime climatology of corona discharges in storm clouds by combining two years of BLUEs data recorded by MMIA instrument of ASIM on-board the ISS (Neubert et al., 2019). This doctoral thesis focuses on investigating the physics of BLUEs, with the aim of un- derstanding their nature and determining the mechanisms that produce them. Addition- ally, the thesis addresses the detailed analysis of the geographic and seasonal distribution of BLUEs is addressed from two years of unique data obtained by the Modular Multispec- tral Imaging Array (MMIA) of the European Space Agency’s (ESA) Atmosphere Space Interaction Monitor (ASIM) instrument that was launched into space on April 18, 2018 and has been operational at the International Space Station (ISS) since then. MMIA has three fast photometers (100 kHz) and two cameras. The photometers have interferential filters centered on the wavelengths 337.0 nm (with a width of 4 nm), 777.4 nm (with a width of 5 nm) and a wide filter between 180 nm and 230 nm. The two available cameras use filters centered at 337.0 nm and 777.4 nm with the same characteristics as the light meter filters. The doctoral thesis is presented as a collection of three scientific articles in which I am the first author. These articles have been published in high-impact journals in the field of atmospheric sciences (atmospheric electricity). The articles are preceded by a thesis index, a summary (in Spanish and English), an introduction, the motivation of the studies carried out, a brief description of the methodology that has been followed and a concise presentation of the BLUEs. In my first article (published in Journal of Geophysical Research - Atmospheres, 2020, and highlighted by the editor) the structure of the BLUEs is described based on the observations of a storm recorded by ASIM on May 14, 2019 over Indonesia. The events were observed using the 337.0 nm photometer, during periods of little or no concurrent activity in the photometer centered on the 777.4 nm band (which is typical for lightning optical emissions). Through radio measurements made from the ground, it was concluded

that 7 of the 10 cases analyzed corresponded to positive narrow bipolar events (NBE). NBEs are characterized by being very strong radio frequency (RF) pulses with three important features: (1) their very short duration (about 20 microseconds), (2) a bipolar appearance (very fast rise and fall of two radio pulses of positive and negative polarity or vice versa) of the waveform in the VLF / LF frequency range (10 - 400 kHz) and (3) followed by extremely powerful bursts of radiation. on VHF / HF (3 - 300 MHz). NBEs, when detected in the VLF/LF range, are typically ten times more intense than radio emissions in the high frequency (HF) range typically emitted by normal intracloud and/or intercloud lightning.. In addition, recent observations (2016 and 2017) suggest that NBEs are the result of very fast processes of electrical breakdown in air. Fast breakdown is associated to cold electrical discharges, that is, those that do not heat the surrounding air (unlike normal lightning) and in which the temperature of the ambient electrons reaches very high values of up to 80000 ◦C (about 7 eV) (electron volts). The fact that electrons have a small mass (2000 times lighter than the lightest atom) prevents them from heating the surrounding air. In this first work, a new and innovative method was developed to determine the height of BLUEs in storm clouds from the analysis of their optical signals. In particular, the method is based on fitting the 337.0 nm light curves captured by the MMIA 337.0 nm photometer to a model of light diffusion in storm clouds. The height obtained agrees well with measurements carried out with methods based on ground-based radio detection. The altitude at which these NBEs occur ranges between 8.5 km and 14 km. Obser- vations indicate that single-pulse blue flashes are caused by streamers (air plasma darts with strong head ionization) which, as discussed above, do not heat the air (they are cold discharges). The findings discussed in the first paper led us to conclude that positive NBEs are corona discharges made up of hundreds of millions of positive streamers (the head of the streamer carries positive electrical charge) that form in thunderclouds and that the BLUEs are the optical manifestation of the NBEs. My second article (published in Geophysical Research Letters, 2021), focuses on the global analysis of the blue pulses observed in storm clouds, focusing on studying the relationship of the BLUEs with lightning, both annually and seasonally. For this, a new algorithm has been developed and used to be able to filter the raw information from MMIA, and systematically obtain only the activity of BLUEs, excluding the rest of electrical interactions in storm clouds. The result of this comprehensive work is the first, and so far the only, nocturnal climatology of BLUEs (corona discharge activity in storm clouds) obtained from data from the ASIM MMIA instrument. Our research concluded that approximately 11 BLUEs occur globally every second at local midnight, and the average number of BLUEs on land/sea is 7 to 4. Geographically, the peak of

the distribution of BLUEs is located in a region in northwestern Colombia. Three main zones of atmospheric electrical activity are shown in this distribution: America, Europe / Africa, and Asia / Australia. A zone of weaker BLUE electrical activity has also been found in the Pacific. My third paper (published in Journal of Geophysical Research - Atmospheres, 2022) delves into the results of the second, and focuses on distinguishing different types of blue pulses based on the goodness of their fit with the ”first hitting model” or FHM (model of diffusion of light in storm clouds) and in extracting its main characteristics such as optical power density (μW m−2) of the 337.0 nm pulse maximum, rise time of maximum, total duration, brightness, etc, based on the fit and raw data. In addition, we also found two types of global distributions of BLUEs, depending on whether an extra criteria is applied (or not) to the algorithm of the previous work (paper two) on the South Atlantic Magnetic Anomaly (SAA). This additional criteria is included because a clear oversensing of cosmic rays was observed with ASIM in the SAA region. The extra criteria aims to limit the number of cosmic rays detected by putting a limit on the duration of the events detected in the SAA. It is concluded that the real number of BLUEs would range between the two distributions found in this third work. The analysis of the characteristics of the BLUEs indicates that around 10% of the events are clearly BLUEs with a clear maximum. Most of them have a peak optical power density below 25 μW/m2, occur up to 4 km below the upper cloud boundary and are made up of hundreds of millions of streamers (up to 3 × 109).

[ES] El objetivo de esta tesis doctoral es estudiar de forma exhaustiva las descargas el ́ectricas de tipo corona que tienen lugar en las nubes de tormenta. Las descargas corona se caracterizan, entre otras cosas, por emitir luz en el rango ultravioleta cercano y azul (280 - 450 nm). Es por esto por lo que se las ha llamado Blue LUminous Events (BLUEs). Esta tesis presenta la primera climatolog ́ıa nocturna de descargas de corona en las nubes de tormenta combinando dos a ̃nos de datos de BLUEs recogidos por el instrumento MMIA de ASIM a bordo de la ISS (Neubert et al., 2019). La tesis se centra en, por un lado, investigar la f ́ısica de los BLUEs, esto es, en descifrar su naturaleza y en determinar cu ́ales son los mecanismos que los producen. Por otra lado, se aborda el an ́alisis detallado de la distribuci ́on geogr ́afica y estacional de los BLUEs a partir de dos a ̃nos de datos obtenidos por el Modular Multispectral Imaging Array (MMIA) del instrumento Atmosphere Space Interaction Monitor (ASIM) de la Agencia Espacial Europea (ESA) que fue lanzado al espacio el 18 de abril de 2018 y que est ́a operativo en la Estaci ́on Espacial Internacional (ISS) desde entonces. MMIA est ́a formado por tres fot ́ometros r ́apidos (100 kHz) y dos c ́amaras. Los fot ́ometros disponen de filtros interferenciales centrados en las longitudes de onda 337.0 nm (con una anchura de banda de 4 nm), 777.4 nm (con una anchura de banda de 5 nm) y un filtro ancho entre 180 nm y 230 nm. Las dos c ́amaras disponibles usan filtros centrados en 337.0 nm y 777.4 nm con las mismas caracter ́ısticas que los filtros de los fot ́ometros. La tesis doctoral se presenta como una colecci ́on de tres art ́ıculos cient ́ıficos en los que soy primer autor. Estos art ́ıculos sobre electricidad atmosf ́erica han sido publicados en revistas de alto impacto en el campo de las ciencias atmosf ́ericas. Los art ́ıculos vienen precedidos por un ́ındice de la tesis, un resumen (en espa ̃nol e ingl ́es), una introducci ́on, la motivaci ́on de los estudios realizados, una breve descripci ́on de la metodolog ́ıa que se ha seguido y una descripci ́on concisa de los BLUEs. En mi primer art ́ıculo (publicado en Journal of Geophysical Research - Atmospheres, 2020, y destacado por su editor) se describe la estructura de los BLUEs apoy ́andose en las observaciones de una tormenta registrada por ASIM el 14 de Mayo de 2019 sobre Indonesia. Los eventos fueron observados con el fot ́ometro 337.0 nm, sin actividad con- currente, o despreciable en el fot ́ometro centrado en la banda 777.4 nm (emisiones t ́ıpicas de rayos). A trav ́es de mediciones de radio efectuadas desde el suelo, se concluy ́o que 7

de los 10 casos analizados correspond ́ıan a eventos bipolares estrechos positivos o positive narrow bipolar events (NBE) en ingl ́es. Los NBEs se caracterizan por ser pulsos muy fuertes de radiofrecuencia (RF) con tres rasgos importantes: (1) su muy corta duraci ́on (apenas 20 microsegundos), (2) un aspecto bipolar (muy r ́apida subida y bajada de dos pulsos de radio de polaridad positiva y negativa o viceversa) de la forma de onda en el rango de frecuencias VLF / LF (10 - 400 kHz) y (3) por venir habitualmente seguidos de potent ́ısimos estallidos de radiaci ́on VHF / HF (3 - 300 MHz). Los NBE detectados en el rango VLF / LF son por lo general diez veces m ́as intensos que las emisiones de radio en el rango de alta frecuencia (HF) procedentes de rayos normales intranube o entre nubes. Adem ́as, observaciones recientes (2016 y 2017) parecen sugerir que los NBEs son el resultado de procesos muy r ́apidos de ruptura el ́ectrica del aire t ́ıpicos de descargas el ́ectricas fr ́ıas, esto es, aquellas que no calientan el aire circundante (al contrario que los rayos normales) y en las que la temperatura de los electrones ambientales alcanzan valores muy elevados de hasta 80000 ◦C (unos 7 eV [electr ́on voltios]). El hecho de que los electrones tengan una masa muy peque ̃na (2000 veces m ́as ligeros que el ́atomo m ́as liviano) impide que, a ́un siendo muy energ ́eticos, puedan calentar el aire circundante. En este primer trabajo se desarroll ́o un nuevo y novedoso m ́etodo para determinar la altura de los BLUEs en las nubes de tormenta a partir del an ́alisis de sus se ̃nales ́opticas. En particular, el m ́etodo se basa en ajustar las curvas de luz captadas por el fot ́ometro centrado en 337.0 nm de MMIA a un modelo de difusi ́on de luz en las nubes de tormenta. La altura obtenida concuerda bien con medidas realizadas con m ́etodos basados en radio detecci ́on. La altitud a la que ocurren estos NBEs se sit ́ua aproximadamente entre 8.5 y 14 km. Las observaciones indican que los flashes azules con un solo pulso son originados por streamers (dardos de plasma de aire con fuerte ionizaci ́on en la cabeza) que, como se ha mencionado, no calientan el aire, esto es, son descargas fr ́ıas, la luz emitida por streamers es pues la manifestaci ́on ́optica de dichos NBEs. Los hallazgos que se discuten en el primer trabajo nos llevaron a concluir que los NBEs positivos son descargas corona formadas por cientos de millones de streamers positivos (la cabeza del streamer transporta carga el ́ectrica positiva) que se forman en las nubes de tormenta y que los BLUEs son la manisfestaci ́on ́optica de dichos NBEs. Mi segundo art ́ıculo (publicado en Geophysical Research Letters, 2021), se centra en el an ́alisis a nivel global de los pulsos azules observados en las nubes de tormenta, de- teni ́endose en estudiar la relaci ́on de los BLUEs con los rayos, tanto anual como esta- cionalmente. Para ello se ha desarrollado y utilizado un novedoso algoritmo para poder filtrar la informaci ́on en bruto de MMIA, y obtener sistem ́aticamente s ́olo la actividad

de BLUEs excluyendo el resto de interacciones el ́ectricas en las nubes de tormenta. El resultado de este completo trabajo es la primera, y hasta ahora la ́unica, climatolog ́ıa nocturna de BLUEs (coronas en nubes de tormenta) obtenida a partir de datos del instrumento MMIA de ASIM. En nuestra investigaci ́on se concluy ́o que, aproximada- mente, tienen lugar unos 11 BLUEs a nivel global cada segundo en la media noche local, y que el promedio de BLUEs en tierra / mar es de 7 a 4. Geogr ́aficamente, el pico de la distribuci ́on de BLUEs est ́a localizado en una regi ́on al noroeste de Colombia. En esta distribuci ́on se muestran tres zonas principales de actividad el ́ectrica atmosf ́erica: Am ́erica, Europa/ ́Africa, y Asia/Australia. Tambi ́en se ha encontrado una zona de ac- tividad el ́ectrica m ́as d ́ebil en el Pac ́ıfico. Mi tercer trabajo (publicado en Journal of Geophysical Research - Atmospheres, 2022) profundiza en los resultados del segundo, y se centra en distinguir distintos tipos de pulsos azules en funci ́on de la bondad de su ajuste con el ”first hitting model” ́o FHM (modelo de difusi ́on de luz en las nubes) y en obtener sus principales caracter ́ısticas tales como densidad de potencia ́optica (μW m−2) del m ́aximo del pulso 337.0 nm, tiempo de subida del m ́aximo, duraci ́on total, brillo, etc, con base al ajuste y a los datos en bruto. Adem ́as, tambi ́en encontramos dos tipos de distribuciones globales de BLUEs, dependiendo de si se aplica (o no) un criterio extra al algoritmo del anterior trabajo en la anomal ́ıa magn ́etica del Atlantico Sur (SAA). Este criterio adicional se incluye debido que se observ ́o una clara sobredetecci ́on de rayos c ́osmicos con ASIM en la zona de la SAA. El criterio extra pretende limitar el n ́umero de rayos c ́osmicos detectados poniendo un l ́ımite en la duraci ́on de los eventos detectados en la SAA. Se estima que la cifra real de BLUEs se hallar ́a entre las dos distribuciones encontradas en este ́ultimo trabajo. El an ́alisis de las caracter ́ısticas de los BLUEs nos indica que alrededor del 10% de los eventos son claramente BLUEs con un m ́aximo claro. La mayor ́ıa de ellos tiene una densidad de potencia ́optica por unidad de superficie de pico por debajo de 25 μW/m2, ocurren a una distancia de hasta 4 km por debajo del l ́ımite superior de la nube y est ́an formados por cientos de millones de streamers (hasta 3 × 109).