“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)！