精靈煙花。安久、董書暢/攝
■本報(bào)記者高雅麗
2022年5月19日深夜，青藏高原普莫雍錯(cuò)湖畔，星空攝影師安久和董書暢的鏡頭捕捉到一場罕見的“天象秀”——上百道紅色光柱從云頂直沖太空，如煙花般在高空綻放。
他們拍攝到的是被稱為“紅色精靈”的中高層大氣放電現(xiàn)象，科學(xué)家形象地稱之為地球大氣層的“閃電煙花”。
此次拍到的“紅色精靈”從何而來？將對臨近空間氣象產(chǎn)生哪些影響？近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸高鵬團(tuán)隊(duì)在《大氣科學(xué)進(jìn)展》發(fā)表研究成果，確定了兩段觀測視頻中“紅色精靈”的發(fā)生時(shí)間及誘發(fā)它們的母體閃電。審稿專家高度評價(jià)了該研究方法的創(chuàng)新性，認(rèn)為“這一方法為眾多公民、科學(xué)家參與科學(xué)觀測提供了可靠的校時(shí)手段”。
從“偶然發(fā)現(xiàn)”到科學(xué)突破
“紅色精靈”最早在1886年被預(yù)言，直到1989年7月6日，時(shí)任美國明尼蘇達(dá)大學(xué)物理學(xué)教授John R. Winckler利用一臺低光度攝影機(jī)記錄了一道夜空中跳躍的火焰，才揭開它的神秘面紗。
陸高鵬解釋說，“紅色精靈”這種中高層大氣中的放電現(xiàn)象，是由雷暴強(qiáng)烈的放電活動引發(fā)的。這些現(xiàn)象在稀薄的大氣中發(fā)生，與低層大氣中的閃電不同，它們可以在持續(xù)的電場作用下加速并擊穿空氣，形成壯觀的放電現(xiàn)象。
“這種現(xiàn)象在地球的中高層大氣中很少出現(xiàn)，因?yàn)樗鼈冃枰囟l件才能發(fā)生?！标懜啭i說。
這次的“紅色精靈”源于2022年5月19日深夜南亞地區(qū)的一個(gè)對流云團(tuán)。對流云團(tuán)非常濃密，激發(fā)了大量雷暴活動。在攝影師拍攝的3個(gè)多小時(shí)里，“紅色精靈”非常密集，每隔一兩分鐘就會出現(xiàn)一次。不僅有四五個(gè)“紅色精靈”同框的時(shí)刻，還出現(xiàn)了巨大噴流。
長期以來，“紅色精靈”研究集中于北美大平原等雷暴高發(fā)區(qū)，在這種認(rèn)知框架下，南亞地區(qū)并不是具備強(qiáng)雷暴發(fā)展條件的典型區(qū)域。然而，此次發(fā)現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)認(rèn)知。
“大家認(rèn)為丘陵地貌不利于大尺度雷暴系統(tǒng)的形成，因?yàn)閷饬鞯那懈钭饔脮鹉芰糠稚?。平原則能夠有效維持氣流的水平輸送與能量聚集，從而更易形成大規(guī)模雷暴系統(tǒng)。”陸高鵬說。
陸高鵬團(tuán)隊(duì)分析發(fā)現(xiàn)，本次“紅色精靈”母體閃電主要為大峰值電流的正極性地閃，發(fā)生在從恒河平原延伸至青藏高原南麓的中尺度對流復(fù)合體層狀云降水區(qū)。
“這次研究觀測記錄了南亞單次雷暴過程中最多的精靈閃電，表明該地區(qū)雷暴具備與美國大平原和歐洲近海雷暴相似的中高層放電能力，甚至能夠孕育出更復(fù)雜的放電形態(tài)，它們產(chǎn)生的物理化學(xué)效應(yīng)對圈層耦合可能有重要影響?！标懜啭i說。
當(dāng)愛好者成為“精靈捕手”
這次攝影師拍攝到了上百個(gè)“紅色精靈”，其中不少是躍動的“舞蹈精靈”，還有罕見的“次生噴流”，以及亞洲首例夜間電離層底部綠色發(fā)光現(xiàn)象“鬼火精靈”。
這些豐富的記錄，為陸高鵬團(tuán)隊(duì)的后續(xù)研究提供了完整素材。不過，獲取視頻后，團(tuán)隊(duì)遇到了一個(gè)難題——普通相機(jī)沒有精準(zhǔn)的時(shí)間標(biāo)記，加之相機(jī)沒有放平，對于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析十分不利。
對此，團(tuán)隊(duì)提出基于衛(wèi)星軌跡與星場推斷視頻時(shí)間的方法。通過分析照片中的衛(wèi)星軌跡和恒星位置，將愛好者拍攝的無時(shí)間標(biāo)記視頻精確校準(zhǔn)至毫秒級，實(shí)現(xiàn)了“紅色精靈”與母體閃電的精準(zhǔn)匹配。
“我們相當(dāng)于用星空當(dāng)鐘表重建了閃電事件的時(shí)間坐標(biāo)系?！标懜啭i表示。
他告訴記者，研究中超過80%的觀測數(shù)據(jù)都是由民間攝影愛好者提供的。他們在一個(gè)名為“精靈閃電觀測”的微信群里分享拍攝到的影像，構(gòu)成了科研團(tuán)隊(duì)的“分布式觀測網(wǎng)”。
同時(shí)，陸高鵬在科研中不僅進(jìn)行了雷電知識科學(xué)普及，還探索出一條特色路徑，將公眾的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為科研資產(chǎn)。
攝影師憑借此次拍攝的作品獲得英國格林尼治皇家天文臺主辦的2023年度天文攝影師大賽星野組世界冠軍。這一作品不僅展現(xiàn)了精靈放電的壯觀，也進(jìn)一步引發(fā)了公眾對極端天氣現(xiàn)象的關(guān)注。
促進(jìn)臨近空間氣象發(fā)展
“紅色精靈”不僅是壯麗的自然奇觀，還可能對中高層大氣化學(xué)環(huán)境產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，為應(yīng)對氣候變化、保障航天安全提供全新視角。
“我們關(guān)注的不僅僅是這些現(xiàn)象本身，還在于它們對大氣環(huán)境的影響，以及與極端天氣事件產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)?！标懜啭i說。
陸高鵬解釋說，中高層大氣放電會產(chǎn)生臭氧，而臭氧在平流層中有益，但在對流層中有害。研究團(tuán)隊(duì)正在探索這些現(xiàn)象是否會導(dǎo)致局域性氣候效應(yīng)，甚至可能引發(fā)災(zāi)害性天氣?！拔覀兿Ｍㄟ^研究這些現(xiàn)象，為氣象預(yù)測和氣候研究提供新視角。”
此外，“紅色精靈”等中高層大氣放電現(xiàn)象還會影響臨近空間氣象環(huán)境。伴隨新一代航空器、浮空器和亞軌道航天器等的發(fā)展，臨近空間正在成為開展高技術(shù)應(yīng)用和國防安全活動的新領(lǐng)域，運(yùn)載火箭、人造衛(wèi)星、載人飛船等航天器以及導(dǎo)彈武器的研究、試驗(yàn)和應(yīng)用，都需要臨近空間氣象保障。
陸高鵬告訴記者，臨近空間觀測一直是科學(xué)界難題，“浮空氣球飛不上去、衛(wèi)星沉不下來”使得50至80公里高度上的地球大氣成為人類觀測的盲區(qū)。
因此，除了原位測量方法，陸高鵬團(tuán)隊(duì)還提出“光電遙感”解決方案——利用“紅色精靈”的光譜特征，反演高空大氣成分。他們還計(jì)劃協(xié)同安徽省內(nèi)其他高校在長江沿岸建成聯(lián)合觀測站，利用天文望遠(yuǎn)鏡與氣象雷達(dá)協(xié)同觀測，捕捉“紅色精靈”引發(fā)的氮氧化物波動信號。
“我們希望通過光電遙感技術(shù)，突破觀測盲區(qū)，更好地理解臨近空間的物理和化學(xué)過程?！标懜啭i說。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1007/s00376-024-4143-5
《中國科學(xué)報(bào)》(2025-05-21第4版綜合)本文鏈接：http://m.enbeike.cn/news-8-4673-0.html青藏高原天空為何驚現(xiàn)“紅色精靈”？
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