比闪电壮观百倍,从国际空间站俯瞰高层大气闪光现象“淘气精灵”

地球天气现象千变万化,而闪电是其中最壮观也最神秘的现象之一,当然其中也还有很多我们不解之处,比如与对流层闪电不同的中高层大气放电现象,科学家帮它们取了各种有趣名字:红色精灵、蓝色喷流、淘气精灵等。

中高层大气放电又称瞬态发光事件(Transient Luminous Events,TLEs),是在雷雨云系统至电离层底部间发生的放电现象,由于样子与我们常见的对流层闪电不同,故而被科学家另取名,比如:呈红橙色、下部为卷须状、上部有弧形枝状结构的红色精灵(Red sprites),是发生在积雨云之上由云层与地面间正闪电引起的大规模放电现象,大小与形态变化很大。

也有呈细锥形、从积雨云顶端一直延伸到离地40~50公里高(电离层)的蓝色喷流(blue jets),亮度也比红色精灵还要亮,但它们并非直接由闪电引起,科学家认为应该是电击穿现象形成了一条不可见的导电信道,然后蓝色喷流沿着这条信道传播。

还有一种更罕见的极低频率辐射现象,称为淘气精灵(Emissions of Light and Very Low Frequency Perturbations from Electromagnetic Pulse Sources,ELVES),这是一种直径可达500公里的大范围闪光,通常发生在离积雨云100公里高的电离层中。

地球大气层各种放电现象,最下部为最常见的闪电,接着是从积雨云顶端延伸到电离层的“蓝色喷流”;再往上是发生在积雨云之上的大规模放电现象“红色精灵”;最上部则是极度壮观的大范围闪光现象“淘气精灵”。(Souece:欧洲太空总局)

当然,这些奇怪现象都很难直接从地球表面观察,倒是离地400公里、位于国际空间站的仪器能大显身手一番,比如2018年安装的ASIM(Atmosphere-Space Interactions Monitor)仪器,集合了光学相机、光度计、X射线与伽马射线探测器等功能,目标便是寻找瞬态发光事件等高层大气风暴。

最近,ASIM仪器成功在太平洋云层顶部看到5个强烈闪光,紧接着一片梦幻又震撼眼球的淘气精灵迅速自电离层底部大范围扩张,最后从平流层出现一条垂直向上的蓝色喷流,场面相当壮观(见下方视频)。

视频开头可先看到5片闪光,接着淘气精灵如防护罩般乍现,最后一条蓝色喷流仿佛延着无形信道向上延伸。

这些观测结果能帮助科学家理解云如何引发闪电,研究人员认为这些现象甚至可能影响地球大气中温室气体的浓度,也指出淘气精灵应该不是由闪电流(lightning current)引起,而更像是雷雨云内部发生的大功率无线电波放电,称为窄双极事件(narrow bipolar events,暂译)。

由于窄双极事件非常普遍,这可能代表高层大气放电现象也比我们想象中更加普遍。新论文发布在《自然》(Nature)期刊。

(图片来源:ESA视频截屏)