在臨近空間那邊的紅色精靈

作者:彭?yè)P(yáng)慧    所在單位:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

“在那山的那邊、海的那邊有一群藍(lán)精靈……”,這是家喻戶(hù)曉的經(jīng)典歌曲《藍(lán)精靈》中的歌詞,然而,動(dòng)畫(huà)片中的藍(lán)精靈是虛構(gòu)的形象,在現(xiàn)實(shí)中并不存在,可是你知道嗎,在現(xiàn)實(shí)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(zhì)擊穿現(xiàn)象,由云層與地面間的正閃電引起,被認(rèn)為是一種正極性流光。它激發(fā)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(kuò)展,通常出現(xiàn)在離地面約 40 到 90km 左右的臨近空間范圍內(nèi),寬度一般約為 5 到 10km (圖 1),寬廣而壯觀(guān)。

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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(qū),中部為過(guò)渡區(qū),下部為流光區(qū)(圖 2),且具有分叉結(jié)構(gòu),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(fā)光使其頂端呈現(xiàn)淡紅光暈。不過(guò)紅色精靈出現(xiàn)在較低高度上的部分略顯藍(lán)色,并從高到低呈現(xiàn)從紅到藍(lán)的顏色變化,實(shí)質(zhì)上反映的是不同高度上的大氣密度對(duì)產(chǎn)生紅光的氮?dú)夥肿蛹ぐl(fā)態(tài)的抑制程度。

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圖 2 紅色精靈結(jié)構(gòu)示意圖

紅色精靈很神秘,最早發(fā)現(xiàn)于 1886 年,但受限于科技水平和觀(guān)測(cè)手段,沒(méi)有任何影像資料,更無(wú)從探究這種壯觀(guān)大氣現(xiàn)象的成因;1925 年,威爾遜從理論上預(yù)測(cè)了紅色精靈現(xiàn)象,但仍缺乏實(shí)際觀(guān)測(cè)的證據(jù);隨著航空業(yè)的發(fā)展,飛行員和乘客在飛行中偶有見(jiàn)到紅色精靈,但大部分人依舊沒(méi)能眼見(jiàn)為實(shí);直到 1989 年,美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué) John R.利用一臺(tái)低光度攝影機(jī)首次記錄了紅色精靈影像(圖3),美國(guó)阿拉斯加大學(xué)科學(xué)家 Sentman 等在 Sprit94 科學(xué)項(xiàng)目中利用兩架?chē)姎馐斤w機(jī)同時(shí)對(duì)紅色精靈進(jìn)行觀(guān)測(cè),獲得了首張紅色精靈的彩色影像(圖 4),為科學(xué)家們深入探究紅色精靈的形成機(jī)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(zhì)擊穿!別被名詞嚇倒,其實(shí)很簡(jiǎn)單??諝饨橘|(zhì)擊穿現(xiàn)象是指在電場(chǎng)的作用下,當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí),空氣中的分子會(huì)被電離,形成帶電粒子,從而導(dǎo)致電流的產(chǎn)生。在大氣中,正常情況下空氣是電絕緣體,即不導(dǎo)電的,因?yàn)榭諝庵械姆肿哟蠖鄶?shù)是中性的。但當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)一定閾值時(shí),空氣分子會(huì)被強(qiáng)電場(chǎng)擊穿,形成電離的帶電粒子,如正負(fù)離子和電子。圖 5 中黑色實(shí)線(xiàn)為空氣介質(zhì)擊穿所需要的電場(chǎng)曲線(xiàn),四條細(xì)線(xiàn)是不同強(qiáng)度的閃電在不同高度上的電場(chǎng)變化,當(dāng)閃電強(qiáng)度足夠大時(shí),在特定高度之上便可以形成空氣介質(zhì)的擊穿,此時(shí)便會(huì)產(chǎn)生中高層放電現(xiàn)象。紅色精靈就是是正閃電引起的一種放電現(xiàn)象,產(chǎn)生了特殊的發(fā)光效應(yīng),呈現(xiàn)出紅橙色的光輝。

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圖 5 中高層大氣放電現(xiàn)象擊穿高度與電場(chǎng)關(guān)系圖(Williams,2003)

然而,在我們的日常生活中,常見(jiàn)的是劃破黑暗的白色閃電,似乎并沒(méi)有怎么見(jiàn)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(chǎn)生上千只“紅色精靈”。紅色精靈罕見(jiàn)的原因之一是它轉(zhuǎn)瞬即逝。紅色精靈的產(chǎn)生時(shí)間一般為地閃回?fù)糁髱缀撩氲綆资撩雰?nèi),持續(xù)時(shí)間也是以毫秒為單位,這是什么概念呢?人眨眼的時(shí)間為 0.2-0.4 秒,這意味著紅色精靈的持續(xù)時(shí)間 比人眨眼的時(shí)間 還短 幾十倍!罕見(jiàn)原因之二是紅色精靈通常出現(xiàn)在雷暴云上空的臨近空間,視線(xiàn)容易受到遮擋。因此,若要觀(guān)測(cè)紅色精靈,建議選擇 200 至 800 千米以外的雷雨云作為觀(guān)測(cè)對(duì)象,選擇較高的觀(guān)測(cè)位置,且天氣晴朗可見(jiàn)度高。

為什么我們要了解和研究紅色精靈呢?其實(shí)不光是它們壯麗奇異的景象吸引了我們的眼球,還因?yàn)樗环矫婵赡芡ㄟ^(guò)釋放大量輻射能量和改變大氣中氮氧化物含量,對(duì)大氣層結(jié)構(gòu)和組成造成影響,進(jìn)而影響大氣環(huán)境和氣候;另一方面,研究紅色精靈可以加深閃電對(duì)臨近空間安全影響的認(rèn)識(shí),提供臨近空間氣象保障,助力未來(lái)臨近空間資源開(kāi)發(fā),搶占戰(zhàn)略高地。

現(xiàn)今,紅色精靈對(duì)我們而言依舊充滿(mǎn)神秘,有許多未知與前景等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)和探索,隨著科技的發(fā)展,相信我們能夠逐漸揭開(kāi)它的神秘面紗。此外,在中高層放電現(xiàn)象中,除了紅色精靈,還有巨大噴流、藍(lán)色噴流、鬼火精靈等,它們比紅色精靈更為罕見(jiàn),形態(tài)與具體形成機(jī)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(guān)!