在臨近空間那邊的紅色精靈

作者:彭揚慧    所在單位:中國科學技術大學

“在那山的那邊、海的那邊有一群藍精靈……”,這是家喻戶曉的經典歌曲《藍精靈》中的歌詞,然而,動畫片中的藍精靈是虛構的形象,在現實中并不存在,可是你知道嗎,在現實生活中,在天的那邊、臨近空間那邊真的有一群“紅色精靈”!

紅色精靈是中高層大氣中雷暴云上空的一種 空氣介質擊穿現象,由云層與地面間的正閃電引起,被認為是一種正極性流光。它激發于大約 70 km 的高度,然后以令人難以置信的速度——大約 10 000 km/s 的速度快速向下擴展,通常出現在離地面約 40 到 90km 左右的臨近空間范圍內,寬度一般約為 5 到 10km (圖 1),寬廣而壯觀。

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圖 1 紅色精靈及高度示意圖

紅色精靈宛若雷暴上空的煙火,絢麗而盛大。它的上部為彌散區,中部為過渡區,下部為流光區(圖 2),且具有分叉結構,上部為弧形枝狀,下部為卷須狀。顧名思義,紅色精靈通常呈紅橙色,偶爾也有向上傳播的成分和較彌散的發光使其頂端呈現淡紅光暈。不過紅色精靈出現在較低高度上的部分略顯藍色,并從高到低呈現從紅到藍的顏色變化,實質上反映的是不同高度上的大氣密度對產生紅光的氮氣分子激發態的抑制程度。

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圖 2 紅色精靈結構示意圖

紅色精靈很神秘,最早發現于 1886 年,但受限于科技水平和觀測手段,沒有任何影像資料,更無從探究這種壯觀大氣現象的成因;1925 年,威爾遜從理論上預測了紅色精靈現象,但仍缺乏實際觀測的證據;隨著航空業的發展,飛行員和乘客在飛行中偶有見到紅色精靈,但大部分人依舊沒能眼見為實;直到 1989 年,美國明尼蘇達大學 John R.利用一臺低光度攝影機首次記錄了紅色精靈影像(圖3),美國阿拉斯加大學科學家 Sentman 等在 Sprit94 科學項目中利用兩架噴氣式飛機同時對紅色精靈進行觀測,獲得了首張紅色精靈的彩色影像(圖 4),為科學家們深入探究紅色精靈的形成機制和特征提供了珍貴的資料。

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圖 3 首張紅色精靈影像

圖 4 首張紅色精靈彩色影像

那么紅色精靈是在什么條件下形成的呢?其原理是中高層大氣中的電介質擊穿!別被名詞嚇倒,其實很簡單??諝饨橘|擊穿現象是指在電場的作用下,當電場強度達到一定程度時,空氣中的分子會被電離,形成帶電粒子,從而導致電流的產生。在大氣中,正常情況下空氣是電絕緣體,即不導電的,因為空氣中的分子大多數是中性的。但當電場強度超過一定閾值時,空氣分子會被強電場擊穿,形成電離的帶電粒子,如正負離子和電子。圖 5 中黑色實線為空氣介質擊穿所需要的電場曲線,四條細線是不同強度的閃電在不同高度上的電場變化,當閃電強度足夠大時,在特定高度之上便可以形成空氣介質的擊穿,此時便會產生中高層放電現象。紅色精靈就是是正閃電引起的一種放電現象,產生了特殊的發光效應,呈現出紅橙色的光輝。

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圖 5 中高層大氣放電現象擊穿高度與電場關系圖(Williams,2003)

然而,在我們的日常生活中,常見的是劃破黑暗的白色閃電,似乎并沒有怎么見到紅色精靈,這并非由于它們稀少,相反,研究表明,全球每天能產生上千只“紅色精靈”。紅色精靈罕見的原因之一是它轉瞬即逝。紅色精靈的產生時間一般為地閃回擊之后幾毫秒到幾十毫秒內,持續時間也是以毫秒為單位,這是什么概念呢?人眨眼的時間為 0.2-0.4 秒,這意味著紅色精靈的持續時間 比人眨眼的時間 還短 幾十倍!罕見原因之二是紅色精靈通常出現在雷暴云上空的臨近空間,視線容易受到遮擋。因此,若要觀測紅色精靈,建議選擇 200 至 800 千米以外的雷雨云作為觀測對象,選擇較高的觀測位置,且天氣晴朗可見度高。

為什么我們要了解和研究紅色精靈呢?其實不光是它們壯麗奇異的景象吸引了我們的眼球,還因為它一方面可能通過釋放大量輻射能量和改變大氣中氮氧化物含量,對大氣層結構和組成造成影響,進而影響大氣環境和氣候;另一方面,研究紅色精靈可以加深閃電對臨近空間安全影響的認識,提供臨近空間氣象保障,助力未來臨近空間資源開發,搶占戰略高地。

現今,紅色精靈對我們而言依舊充滿神秘,有許多未知與前景等待我們去發現和探索,隨著科技的發展,相信我們能夠逐漸揭開它的神秘面紗。此外,在中高層放電現象中,除了紅色精靈,還有巨大噴流、藍色噴流、鬼火精靈等,它們比紅色精靈更為罕見,形態與具體形成機制也各具特色,希望大家有幸能夠親眼目睹這些神秘的大氣奇觀!

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