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追逐雷暴,捕捉瞬息即逝的红色闪电

18-08-27 16:18 来源:科技日报 编辑:宋芳科

  原标题:追逐雷暴,捕捉瞬息即逝的红色闪电

各类闪电高空分布图

  夏季是雷雨多发时节。在电闪雷鸣之际,你可曾想过它们是从哪来的吗?高空中的闪电长着什么模样、脾性如何?它们又是如何影响人们的日常生活?

  这也正是中国科学院大气物理研究所“百人计划”项目研究员陆高鹏博士的研究团队所长期关注的问题。为了更好地厘清闪电发生和发展的物理机制,他的团队在全国架设了多个观测站点,初步建立了闪电临近空间效应研究平台。

  通过织就的这张精密“地网”,利用中国科学技术大学祝宝友副教授团队开发的定位算法,他们记录了2015年夏季山东省一次中尺度对流系统上空中的30多次红色精灵事件母体闪电及相关天电信号的定位结果。这项研究成果预发表在学术期刊《大气科学进展》上。

  利用天电信号实现闪电定位

  闪电是云与云之间、云与地之间或者云体内各部分之间的强烈放电现象。通常来说,任何来自于闪电的可测电磁信号,都能用来定位和探测闪电发生的过程。

  目前,用来定位和探测闪电发生过程的信号主要有声、光、电场和磁场四类。“我们研究中所指的天电信号,就是闪电产生的电磁辐射信号。”陆高鹏博士介绍说。

  闪电放电会辐射出很宽频的电磁脉冲,其频率范围从极低频一直到超高频,其中甚低频到低频波段辐射信号最强。它所产生的有效电磁能量从几赫兹到几百兆赫兹,甚至更高。

  很多时候,尽管在地面上的某一地点并没有直接看到闪电现象,但却收到闪电产生的电磁辐射信号。这意味信号来自远处发生的闪电。如何根据电磁辐射信号来判断闪电发生的位置呢?

  陆高鹏博士介绍,主要有磁定向法、时差法,以及这两者相结合的方法等。磁定向法采用一对南北方向和东西方向垂直放置的正交环磁场天线来测定闪电发生的方位角,并与水平放置的电场天线组合进行波形鉴别。时差法则采用电磁信号到达不同测站的时间差进行闪电定位。

  事实上,仅凭单一站点的信号,很难确切知道闪电到底来自哪里。因此,通常需要架设3个或更多的站点,将多个站点收到的信号进行测量和计算,从而确定闪电的位置。

  高空中闪电为何多姿多彩

  在中高层大气中,由于空气非常稀薄,电击穿介质所需要的电场强度比地表小得多。因此,强度较大的闪电放电产生的电磁场可以导致中高层大气中的介质被击穿,产生了多种形式的瞬态发光现象,如红色精灵、巨型喷流和蓝色射流等。

  在闪电研究学者看来,尽管在空中的高度不一样,能量强度也不一样,但红色精灵、巨型喷流和蓝色射流本质上都是一样的,都是雷暴云上空空气介质击穿所产生的发光现象。“这三者好比是一棵树从树杆到树冠的不同的部位”。

  蓝色射流是雷暴云顶发生的,不受云顶束缚向上发展的闪电。相对而言,它能到达的高度较低,出现在离地面约30—40公里左右的空中。其外形是蓝色的、细细的直杆物,如同小树苗一般。

  比蓝色射流发展更为壮观的是一大团如树冠状的巨型喷流。巨型喷流是雷暴云内的闪电通道从雷暴云顶部逃逸并一直发展到达离地面约50到90公里高度的一种非常罕见的放电现象,其持续时间一般可达数百毫秒。

  同巨型喷流外观类似,但出现的更为频繁的是红色精灵,它出现在离地面约50到90公里左右的高度上。它的上半部是红色,底部则渐渐转变为蓝色,宽度约在5—10公里内。同巨型喷流相比,它持续的时间较短,通常只有几毫秒,有如精灵一般难以捕捉到,所以科学家给它取名为“红色精灵”。

  “红色精灵出现在较低高度上的部分之所以略显蓝色,并从高到低呈现从红到蓝的颜色变化,实质上反映的是不同高度上的大气密度对产生红光的氮气分子激发态的抑制程度。”陆高鹏博士解释道。

  追踪红色精灵提升雷暴预警能力

  不管是巨型喷流,还是红色精灵,这两种现象都表明,对流层中的雷暴和闪电活动能够通过引发介质击穿影响雷暴云上空的广阔区域,即使是50公里之上的中高层大气空间。

  在闪电物理学家看来,通过研究和这两种现象相关的雷暴和闪电发展特征,能够在一定程度上对这些现象的发生进行预测。进而,有效提高对雷暴上空空间环境安全性的临近预报水平,为中高层空间资源开发活动的安全实施提供保障。

  看上去很美的红色精灵或巨型喷流,实质上可能会威胁到飞行器的安全。当飞行器在雷暴上空环境中执行任务时,有可能受到雷暴中闪电活动带来的直接伤害或电磁辐射影响。

  陆高鹏博士举例说,当临近空间飞行器完全处在“红色精灵”发光体内部时,飞行器内部的电子器件很有可能被击穿,从而导致飞行器损毁或发生故障,其后果难以想象。

  如何能让飞行器精准地躲避雷暴影响的区域呢?首先要实现对雷暴天气系统的动态监测和精准定位。中科院大气物理研究所的研究团队在全国架设了多个探测闪电的低频磁场记录系统和低光度光学观测设备,建立了闪电临近空间效应研究平台。

  该平台目前已记录到和多个地源伽玛辐射脉冲相关的低频闪电磁场信号,并在华北和东北地区记录到近百例红色精灵事件及其同步的低频磁场数据。“目前,我们已经实现了对红色精灵母体闪电的精准定位,为未来开展基于闪电探测的中高层空间天气预报奠定了基础。”陆高鹏博士介绍说。

  在为预警雷暴的临近空间影响提供科学支撑的同时,研究闪电还有着更深层的科学意义。作为全球大气电路平衡中至关重要的一个环节,闪电维持电路平衡的机制是大气电学研究中的重要内容。

  随着科学研究的不断进展,科学家们在地球和电离层构成的波导空间中发现了更多的闪电电磁效应,超出了人们以往的认知。陆高鹏博士认为,这意味着需要重新审视全球大气电路中的各个环节,对已有的模型进行修改,更为科学地评估闪电在维持全球电路平衡中发挥的作用。(记者唐婷)

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