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专家揭秘罕见的“幽灵闪电”

2019-05-18 11:50:54      来源:中国气象报社   分享:扫描到手机

专家揭秘罕见的“幽灵闪电”,近日,南非一名摄影家拍摄到了极为罕见的“幽灵闪电”大气现象。记者就“幽灵闪电”的成因、特点、观测及相关研究等问题采访了中国科学院大气物理研究所项目研究员陆高鹏。

近日,南非一名摄影家拍摄到了极为罕见的“幽灵闪电”大气现象。记者就“幽灵闪电”的成因、特点、观测及相关研究等问题采访了中国科学院大气物理研究所项目研究员陆高鹏。

嘉宾:中国科学院大气物理研究所项目研究员陆高鹏博士

采访人:中国气象报记者刘淑乔     

近日,南非一名摄影家拍摄到了极为罕见的“红色精灵”大气现象。 图片来源:ABC网站  

记者:“幽灵闪电”是如何形成的,一般发生在什么条件下,与普通闪电相比有何特殊之处?

陆高鹏:“幽灵闪电”或者说是“红色精灵”,是在雷暴上空中高层大气中出现的一种空气介质击穿现象。在地球表面向上的大气空间中,随着高度增加大气密度是大致按照指数规律迅速减小的,因此到了五六十公里的高度上气压很低,空气密度就已经非常稀薄了。在这种低气压环境下,强烈闪电产生的电场扰动容易导致空气介质的电击穿,其原理同我们平常所看到的电火花是类似的。因此,同普通闪电相比,“幽灵闪电”是出现在中高层大气空间中的放电现象,是强度很大的普通闪电在雷暴上空的广阔空间中引起的进一步放电。

记者:“幽灵闪电”是一种极其罕见的现象吗?

陆高鹏:极其罕见并不代表很少出现,事实上,根据有关研究观测的估算表明,全球每天有数千次“红色精灵”产生。不过,“红色精灵”现象都出现在浓厚的雷暴云上空的中高层空间中,因为视线受到遮挡,地面上的观测者通常无法看到。目前在地面上开展的观测一般是在夜间空气晴朗地区将具有低光度观测能力的光学记录设备对着远处一个雷暴系统的上空区域,让电子设备连续监视可能出现“红色精灵”的区域。此外,还有很多天文或者气象爱好者会利用他们的数码相机,在长时间曝光模式下记录到“红色精灵”的图像。

“幽灵闪电”中最为常见的可能就是“红色精灵”了。除此之外,还有“蓝色射流”“巨型喷流”和“光晕”等形式的“幽灵闪电”。但这些现象更为罕见或者更难记录到,因此报道和研究相对较少。

    

星空摄影爱好者戴建峰在青藏高原上记录到的一次“幽灵闪电”。戴建峰供图

记者:请问这一现象属于正极性闪电还是负极性闪电?

陆高鹏:这是个非常有意思的问题。研究表明,正极性闪电(将雷暴云内的正极性电荷传输到地面)和负极性闪电(将雷暴云内的负极性电荷传输到地面)都可以产生较强的中高层空间电场扰动并形成红色精灵。此外,研究发现的一个非常有趣的现象是,在陆地上的雷暴产生的绝大多数都是正极性闪电产生的红色精灵,只有不到百分之一的红色精灵是由负极性闪电产生的。但是海洋上的情况完全不一样,大概有四分之一的红色精灵是由负极性闪电产生的。目前,这一海陆差异也是大气电学研究中的热点问题之一。

记者:这一现象据说与霓虹灯、极光的产生机理有相似之处,您能否解释一下?

陆高鹏:极光是太阳的太阳风造成的一种超大空间尺度的发光现象,其产生过程与霓虹灯管发光的原理相似。霓虹灯管内,借着两极的电压差将电子加速,然后将管内稀薄气体撞击而发光。来自上空的高速电子撞击电离层中的原子、分子、或离子,把它们打成激发态(通常必须是一个高能阶的准稳定态),等一段时间后,它们会自动的跳回基础态(或较低能阶的准稳定态),放出一定波长的光,这就是极光。

“幽灵闪电”的产生机理略有不同,它是强烈的闪电现象产生的准静态电场激发的中高层空间中空气介质的击穿,也存在空气分子的能态跃迁及伴随的发光现象,持续的时间很短,通常只有几毫秒左右。但偶尔持续时间也会达到数十毫秒,如跳舞状“红色精灵”或者“巨型喷流”。

记者:“幽灵闪电”的产生是不是与特殊的天气条件有所联系?

陆高鹏:“幽灵闪电”可以看作是强度较高的闪电在中高层大气中产生的二次放电现象,是对流层雷暴中电荷分层所储藏的静电能通过强烈的闪电放电耦合到中高层大气中的一种表现形式。因此,只要闪电释放的瞬态电场能量足够大,就可以产生“幽灵闪电”。国内外学者在过去十几年中的探索表明,能够产生“幽灵闪电”的雷暴类型多种多样,而空间尺度较大的中尺度对流系统是最为主要的母体雷暴系统,这种雷暴一般在其层状云区产生大量的降水,而这个区域也存在着大量连续分布的正电荷。

闪电是雷暴中的对流活动发展达到一定强度时所产生的放电现象,而对流还能产生冰雹、龙卷风和暴雨等多种灾害性天气。通过在卫星或者空间站等平台上观测闪电,可以有效识别有可能产生灾害性天气的区域,开展实时预警和临近预报。

目前,中国科学院大气物理研究所、中国气象科学研究院和中国科学技术大学的学者将在华南地区开展综合观测,通过以中国气象科学研究院吕伟涛研究员为首席科学家的国家重点研发专项“雷暴云起放电过程和雷击效应研究”研究城市化发展对闪电发生和发展及其雷击效应和灾害的影响。这一项目为研究城市化发展水平较高的地区闪电活动对中高层大气空间的效应提供了非常好的条件。

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