高空閃電



圖片欣賞 影片欣賞 高空閃電的分類 高空閃電的觀測



簡介:

  當城堡型的積雨雲,逐漸發展成烏黑的雷雨胞時,胞內的小冰晶被旺盛的對流氣流帶著上下運動,互相摩擦,於是在雷雨胞中形成一塊塊正、負電荷分離的靜電區域。這些靜電荷先在雷雨胞內,發生正、負電荷中和的放電現象,此即「雲內閃電」。接著可與地表突起物所產生的感應電荷,交換電荷,彼此中和,產生放電現象,即一般所見的「雲對地閃電」。

  由於電離層與地表一樣,都具有很高的導電度(是良導體),因此如果雷雨胞發展得夠旺盛,使得雷雨胞的頂部超過對流層頂,深入臭氧層中,雷雨胞內的電子也可能向上與電離層內集中過來的感應電荷「正離子」們中和,而發生放電現象,此即所謂的「高空閃電」。高空閃電現象,很早就被一些飛機駕駛員發現,並曾提出報告,但由於缺乏照片等實物的佐證,一直被認為只是駕駛員的幻覺,而未被採信。直到三、四年前,才經由一系列有計劃的科學觀測,以照片和錄影帶證實了有些大雷雨發生時,雲頂上方確實會伴隨著發生「高空閃電」這種現象。科學家並依其閃電形式不同而將「高空閃電」分為兩大類,一為「藍色噴束」,一為「紅色精靈」。科學家更進一步利用研究北極光的方法來分析這些「高空閃電」的高度,以及不同顏色閃電光所代表的化學光譜和他們的量子能階態。



圖片欣賞:

圖一、飛機上所拍攝到的「單一紅色精靈」。

圖二、地面山頂處,用紅色光譜,所拍攝到的「成群的紅色精靈」。

圖三、常見的「雲對地閃電」。

影片欣賞:飛機上所拍攝到的「紅色精靈」(彩色影片)與「藍色噴束」(黑白影片)。

感謝:以上影片母帶是由Geophysical Institute at University of Alaska Fairbanks的研究同仁所提供。特此致謝。



最新之「高空閃電」的分類:(顏色、發生高度範圍、持續時間)

(1)「藍色噴束」(Blue Jets),是由「雲頂」向「平流層」放電的一種現象。「雲頂」高度一般約為十到十五公里。「平流層」又叫「臭氧層」,它所涵蓋的範圍約在高度十到五十公里這段區域。「藍色噴束」閃電顏色以藍色為主,頂部高度約四十到五十公里,平均閃電時間約兩百毫秒(200ms)

(2)「紅色精靈」(RedSprites),是由「雲頂」向「中氣層」放電的一種現象。「中氣層」所涵蓋的範圍約在高度五十到九十公里這段區域。「紅色精靈」的結構上可至少分為兩部分,發生在「中氣層」區域內的放電顏色以紅色為主,而位在「平流層」區域內的放電顏色則以藍色為主,略帶紅色。「紅色精靈」平均閃電時間約二十毫秒(20ms)

(3)「閃電小鬼」(Elves),是由於「電離層」底部氣體,被「雲對地閃電」以及「雲內閃電」所產生的「電磁波動脈衝」所加熱或游離,而發生的一種瞬間發光的現象。它的發光時間最短,平均閃電時間不到一毫秒(<1ms),發光範圍並快速向外環狀放大水平擴展。

  目前的觀測結果顯示,這三種高空閃電出現的情形,彼此之間並無明顯的相關性。事實上往往觀測到許多Blue Jets的雷雨胞上方,就不太會出現Red Sprites。反之亦然。至於Red Sprites與Elves的關係,目前的一些觀測結果顯示,sprites發生前,如果先出現elf,則sprites往往會以成群的姿態出現(a cluster of sprites)。如果sprites發生前,電離層底部並未出現elf,則sprites往往是一個個的單獨出現。此外發生elves並不一定會跟著發生sprites。反之亦然。目前的觀測結果也顯示「藍色噴束」與「紅色精靈」這些高空閃電,往往發生在雲對地為正電放電的上空,這顯示這些高空閃電是一種雲對高空的負電放電現象。



高空閃電的觀測

  目前科學家對高空閃電的觀測包括了:(1)地面觀測,也就是在地面高山上對遠方的閃電進行觀測,優點是儀器固定,資料接收穩定且資料量的多少幾乎不受限制,最大的缺點是水汽對閃電光的吸收效應太強;(2)飛機上的觀測,優點是機動性強,水汽影響較少,最大的缺點是在雷雨胞附近飛行很危險;(3)太空梭上的攝影觀測,缺點之一,是受到資料量不能太大的限制,無法做光譜分析的觀測記錄。

  我國未來將發射的中華衛星二號,是一個以「大地資源影像觀測」為主的一個太陽同步衛星(衛星繞著地球日夜交界處運轉,有一面一直面對太陽)。其中主要任務的酬載儀器,將一直對著日側半球進行大地資源影像觀測,而附加之次要任務的科學酬載儀器,則將一直對著夜側半球進行「紅色精靈」現象的統計搜尋與影像光譜觀測。這將是第一個利用人造衛星對高空閃電做全球性觀測的科學計畫。雖然這個觀測任務將處處受到主要觀測任務的牽制,但是我們仍希望在完全摒除低空閃電的光害與水汽的吸收效應後,能獲得最佳品質的觀測結果,以提供科學界更多有用的資料,進一步了解發生高空閃電的物理過程以及高空閃電對地球、大氣層、電離層、磁層中整體的電流分布所產生的影響。



作者:
呂凌霄 國立中央大學太空科學研究所 lyu@jupiter.ss.ncu.edu.tw