Lightning can produce multiband radio waves and high-energy radiations. Some of them are associated with the formation of lightning leaders. However, their generation mechanisms are not fully understood yet. Based on the understanding of thermal runaway electrons generated at the leader tip, we propose transition radiation of these runaway electrons as an alternative mechanism for producing very-high-frequency radio signals. Transition radiations are induced when runaway electrons cross the interfaces between lightning coronas and the air. By the use of estimated parameters of electron beams emerging from the leader tips, we calculate their coherent transition radiation and find that the energy spectra and radiation powers are consistent with some detection results from stepped leaders and even narrow bipolar events. Moreover, our model also predicts strong THz radiation during the stepped-leader formation. As a standard diagnosis technique of electron bunches, the proposed coherent transition radiation here may be able to reconstruct the actual properties of electron beams in the leader tips, which remains an open question.

1.
J. R.
Dwyer
and
M. A.
Uman
,
Phys. Rep.
534
(
4
),
147
241
(
2014
).
2.
J. D.
Hill
,
M. A.
Uman
, and
D. M.
Jordan
,
J. Geophys. Res.: Atmos.
116
(
D16
),
D16117
, (
2011
).
3.
C. J.
Biagi
,
M. A.
Uman
,
J. D.
Hill
, and
D. M.
Jordan
,
J. Geophys. Res.: Atmos.
119
(
13
),
8160–8168
, (
2014
).
4.
C. D.
Weidman
and
E. P.
Krider
,
Geophys. Res. Lett.
7
(
11
),
955
958
, (
1980
).
5.
S.
Celestin
and
V. P.
Pasko
,
J. Geophys. Res.: Space Phys.
116
(
A3
),
A03315
, (
2011
).
6.
B. M.
Hare
,
O.
Scholten
,
J.
Dwyer
,
U.
Ebert
,
S.
Nijdam
,
A.
Bonardi
,
S.
Buitink
,
A.
Corstanje
,
H.
Falcke
,
T.
Huege
,
J. R.
Horandel
,
G. K.
Krampah
,
P.
Mitra
,
K.
Mulrey
,
B.
Neijzen
,
A.
Nelles
,
H.
Pandya
,
J. P.
Rachen
,
L.
Rossetto
,
T. N. G.
Trinh
,
S.
ter Veen
, and
T.
Winchen
,
Phys. Rev. Lett.
124
(
10
),
105101
(
2020
).
7.
S. A. S.
Baharin
,
M. R.
Ahmad
,
T. R. K.
Al-Shaikhli
,
M. A. B.
Sidik
,
M. H. M.
Sabri
,
A. A. N.
Al-Kahtani
,
S. A.
Mohammad
,
G.
Lu
,
H.
Zhang
, and
V.
Cooray
,
Atmos. Res.
270
(
1
),
106091
(
2022
).
8.
N. Y.
Liu
and
J. R.
Dwyer
,
Geophys. Res. Lett.
47
(
23
),
e2020GL090325
(
2020
).
9.
F.
Shi
,
N. Y.
Liu
,
J. R.
Dwyer
, and
K. M. A.
Ihaddadene
,
Geophys. Res. Lett.
46
(
1
),
443
451
, (
2019
).
10.
D.
Petersen
and
W.
Beasley
,
Atmos. Res.
135
,
314
321
(
2014
).
11.
J.
Montanyà
,
F.
Fabró
,
V.
March
,
O.
van der Velde
,
G.
Solà
,
D.
Romero
, and
O.
Argemí
,
J. Atmos. Sol.-Terr. Phys.
136
,
94
97
(
2015
).
12.
W.
Rison
,
R. J.
Thomas
,
P. R.
Krehbiel
,
T.
Hamlin
, and
J.
Harlin
,
Geophys. Res. Lett.
26
(
23
),
3573
3576
, (
1999
).
13.
W.
Rison
,
P. R.
Krehbiel
,
M. G.
Stock
,
H. E.
Edens
,
X. M.
Shao
,
R. J.
Thomas
,
M. A.
Stanley
, and
Y.
Zhang
,
Nat. Commun.
7
,
10721
(
2016
).
14.
F.
Lyu
,
S. A.
Cummer
,
Z.
Qin
, and
M.
Chen
,
J. Geophys. Res.: Atmos.
124
(
6
),
2994
3004
, (
2019
).
15.
J. N.
Tilles
,
P. R.
Krehbiel
,
M. A.
Stanley
,
W.
Rison
,
N. Y.
Liu
,
F. C.
Lyu
,
S. A.
Cummer
,
J. R.
Dwyer
,
S.
Senay
,
H.
Edens
,
X. P.
Fan
,
R. G.
Brown
, and
J.
Wilson
,
J. Geophys. Res.: Atmos.
125
(
20
),
e2020JD032603
, (
2020
).
16.
C. B.
Moore
,
K. B.
Eack
,
G. D.
Aulich
, and
W.
Rison
,
Geophys. Res. Lett.
28
(
11
),
2141
2144
, (
2001
).
17.
J. R.
Dwyer
,
M. A.
Uman
,
H. K.
Rassoul
,
M.
Al-Dayeh
,
L.
Caraway
,
J.
Jerauld
,
V. A.
Rakov
,
D. M.
Jordan
,
K. J.
Rambo
,
V.
Corbin
, and
B.
Wright
,
Science
299
(
5607
),
694
697
(
2003
).
18.
J. R.
Dwyer
,
H. K.
Rassoul
,
M.
Al-Dayeh
,
L.
Caraway
,
B.
Wright
,
A.
Chrest
,
M. A.
Uman
,
V. A.
Rakov
,
K. J.
Rambo
,
D. M.
Jordan
,
J.
Jerauld
, and
C.
Smyth
,
Geophys. Res. Lett.
31
(
5
),
L05118
, (
2004
).
19.
J. R.
Dwyer
,
H. K.
Rassoul
,
M.
Al-Dayeh
,
L.
Caraway
,
A.
Chrest
,
B.
Wright
,
E.
Kozak
,
J.
Jerauld
,
M. A.
Uman
,
V. A.
Rakov
,
D. M.
Jordan
, and
K. J.
Rambo
,
Geophys. Res. Lett.
32
(
1
),
L01803
, (
2005
).
20.
J.
Howard
,
M. A.
Uman
,
J. R.
Dwyer
,
D.
Hill
,
C.
Biagi
,
Z.
Saleh
,
J.
Jerauld
, and
H. K.
Rassoul
,
Geophys. Res. Lett.
35
(
13
),
L13817
, (
2008
).
21.
L. P.
Babich
,
E. I.
Bochkov
,
I. M.
Kutsyk
,
T.
Neubert
, and
O.
Chanrion
,
J. Geophys. Res.: Space Phys.
120
(
6
),
5087
5100
, (
2015
).
22.
G. D.
Moss
,
V. P.
Pasko
,
N. Y.
Liu
, and
G.
Veronis
,
J. Geophys. Res.: Space Phys.
111
(
A2
),
A02307
, (
2006
).
23.
B.
Gorin
,
V.
Levitov
, and
A.
Shkilev
,
IEE Conf. Publ.
143
,
274
278
(
1976
).
24.
C. J.
Biagi
,
M. A.
Uman
,
J. D.
Hill
,
D. M.
Jordan
,
V. A.
Rakov
, and
J.
Dwyer
,
J. Geophys. Res.: Atmos.
115
(
D23
),
D23215
, (
2010
).
25.
V.
Cooray
,
L.
Arevalo
,
M.
Rahman
,
J.
Dwyer
, and
H.
Rassoul
,
J. Atmos. Sol.-Terr. Phys.
71
(
17–18
),
1890
1898
(
2009
).
26.
A. V.
Gurevich
,
G. M.
Milikh
, and
R.
Rousseldupre
,
Phys. Lett. A
165
(
5–6
),
463
468
(
1992
).
27.
B. E.
Carlson
,
N. G.
Lehtinen
, and
U. S.
Inan
,
J. Geophys. Res.: Space Phys.
115
(
A10
),
A10324
, (
2010
).
28.
J. R.
Dwyer
,
J. Geophys. Res.: Atmos.
113
(
D10
),
D10103
, (
2008
).
29.
G. J.
Fishman
,
P. N.
Bhat
,
R.
Mallozzi
,
J. M.
Horack
,
T.
Koshut
,
C.
Kouveliotou
,
G. N.
Pendleton
,
C. A.
Meegan
,
R. B.
Wilson
,
W. S.
Paciesas
,
S. J.
Goodman
, and
H. J.
Christian
,
Science
264
(
5163
),
1313
1316
(
1994
).
30.
M. D.
Tran
,
V. A.
Rakov
,
S.
Mallick
,
J. R.
Dwyer
,
A.
Nag
, and
S.
Heckman
,
J. Atmos. Sol.-Terr. Phys.
136
,
86
93
(
2015
).
31.
M.
Urbani
,
J.
Montanya
,
O. A.
van der Velde
,
J. A.
Lopez
,
M.
Arcanjo
,
P.
Fontanes
,
D.
Romero
, and
J. A.
Roncancio
,
J. Geophys. Res.: Atmos.
126
(
7
),
e2020JD033745
, (
2021
).
32.
H. C.
Wu
,
Sci. Rep.
6
,
28263
(
2016
).
33.
H. C.
Wu
,
Geophys. Res. Lett.
44
(
5
),
2597
2603
, (
2017
).
34.
C. B.
Schroeder
,
E.
Esarey
,
J.
van Tilborg
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Rev. E
69
(
1
),
016501
(
2004
).
35.
J.
Zheng
,
K. A.
Tanaka
,
T.
Miyakoshi
,
Y.
Kitagawa
,
R.
Kodama
,
T.
Kurahashi
, and
T.
Yamanaka
,
Phys. Plasmas
9
(
8
),
3610
3616
(
2002
).
36.
E. M.
Bazelyan
and
Y. P.
Raizer
,
Lightning Physics and Lightning Protection
(
Institute of Physics Publishing
,
Bristol
,
2000
).
37.
M. A.
Uman
,
J. Geophys. Res.
69
(
4
),
583
585
, (
1964
).
38.
R. J.
Thomas
,
P. R.
Krehbiel
,
W.
Rison
,
T.
Hamlin
,
J.
Harlin
, and
D.
Shown
,
Geophys. Res. Lett.
28
(
1
),
143
146
, (
2001
).
39.
T.
Marshall
,
M.
Stolzenburg
,
S.
Karunarathne
,
S.
Cummer
,
G. P.
Lu
,
H. D.
Betz
,
M.
Briggs
,
V.
Connaughton
, and
S. L.
Xiong
,
J. Geophys. Res.: Atmos.
118
(
19
),
10907
10925
, (
2013
).
You do not currently have access to this content.