技術摘記

1999-04-10 紅色精靈的觀測回顧

建立於 2010-11-29, 週一

紅色精靈的觀測回顧


成功大學物理系
吳璧如、許瑞榮

 

一、引言



近年來發現在雷雨區(thunderstorm)的上方有一些非尋常的高空向上放電的現象,引起了科學界的注意,並吸引了不少科學家投入這個新的研究領域中。這些放電現象為對流層中閃電與電離層間的電磁藕合(electromagnetic coupling)提供了明顯的證據。在這些高空向上放電的現象當中以紅色精靈(red sprite)最常被觀測到,它通常發生在離地面約50~90公里的高空。其上半部為紅色,到底部則漸漸轉變為藍色,其寬度約5~10公里,可持續約數十毫秒的時間,通常是成群或者兩個以上發生,較少單獨發生。本文將回顧有關紅色精靈的觀測研究,包括:紅色精靈的影像、光譜及雷達波的研究等。


二、紅色精靈的影像



早在本世紀初,就曾有人宣稱看到閃電像沖天砲(rocket)般以極快的速度垂直射向高空;1937也有報告描述看到長而弱的紅色光帶大約在50公里的高度。1965年諾貝爾物理獎得主威爾森(C.T.R. Wilson)也曾提及他親眼目賭一道綠色光暈射入空中。他推測這道綠光可能是雲層頂端與電離層間的放電現象,而這放電現象可能是一般雲對地閃電的一個很平常的附屬品。由於它的光度很弱,肉眼無法很容易觀測到此一現象,必須在特別的狀況下方可觀測到。第一個用攝影機拍攝下來的向上放電的影像是在1989年,由一群明尼蘇達大學的科學家John Winckler, Robert Franz和Robert Nemzek在偶然的狀況下拍攝下來的(圖一),當時他們正在測試低光度攝影機(low-light video camera)照高空火箭砲的效果(Franz et al. 1990)。影像顯示兩道光柱從雲頂向上延伸30公里。當有了這個難得的證據以後,整個相關的研究才開始動了起來。

 

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圖一、向上閃電的的一個影像。[取自Franz et al. 1990 ]

 

跟隨這個最原始的觀測證據之後,有人將過去幾年太空梭所拍攝的畫面重新整理,找出了十多個近似的光學事件(Optical events)出來(Vaughan et al. 1992; Boeck et al. 1995)。這些呈現的影像在雲層上方有一些光絲(filament)或柱狀光影延伸至平流層,其位置多數位於雲的中央(圖二),高度大約是距離地面60至75公里,這些閃光(flash)持續的時間小於17毫秒(millisecond)。1993年Sentman和Wescott用單一架飛機測量這些光學事件中光柱的大小(Sentman and Wescott 1993),測量了19個光學事件,得到每個光柱的高度分佈,是從地面上30至100公里,平均高度在60公里處,體積大於1000立方公里,持續時間小於17毫秒。相對於雲對地面的閃電的發生率為:每200~400個負閃電(雲層與地面間的閃電,最常見的是向下進行並且通路帶的是負電稱為負閃電,通路帶的是正電稱為正閃電)有一次向上放電的機率,而每20至40個正閃電有1次向上放電的機會。同一年Lyons報導(Lyons 1994)在地面410分鐘的觀測時間內,觀測到248個向上放電的光學事件,這比想像中還多。整個影像的結構是寬度大於10公里,而上部約在50~65公里的高度,並發現最大事件的底部有卷髮(tendrils)。同樣在1993年,Winckler在地面作觀察(Winckler 1995),發現影像的高度是在50~80公里處,同樣有看到卷鬚向下延伸至20公里的高度。雲對電離層的放電,出現在雲的中央,並且發生的位置有重覆性,發生率是每2至3分鐘即可觀測到一個事件,並有部份會引起SKYFLASH。SKYFLASH的現象是先前他的研究群發現在天空中有短暫的發光現象(transient luminosity)並擴展到整個天空,這和後來發現的elves很類似。

 

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圖二、太空梭所拍攝的畫面。[取自Boeck et al. 1995]

 

在1994年的觀測中,Sentman的研究群(Sentman et al. 1995),取採兩架飛機飛至離地面12.2和12.8公里的高度,相距10~75公里作三角測量,使得測量誤差可降至2公里,並拍攝第一個彩色的影像(圖三)。正式將這些發光事件命名為紅色精靈(red sprite),取其顏色為紅色與其捉摸不定的特性。紅色精靈結構如圖四,分成三部份,最上方為頭髮(hair),分佈在88~95公里的高度中間為頭(head),分佈在66~74公里,這兩部份皆為紅色,最下為卷鬚在60~40公里的高度,其顏色上方為紅色,往下轉成紫色最後是藍色。紅色精靈很少觀察到單獨發生的例子。在同一次任務中,也發現了另一種向上放電的現象稱為藍噴泉(blue jet),它的高度則在30公里左右。同年Winkler (Winckler et al. 1996)在地面上的觀測指出紅色精靈的發生與雲對地的正閃電有很強的關係,並推測紅色精靈的發生歸因於雲對地的閃電後隨之而來的強烈負充電(strong negative charging)所造成的。在這次任務前,並無紅色精靈一詞,而這些高空向上放電的現象的描述名詞不一致,或稱雲對電離層的放電或垂直向上的閃光等,直到1994年名稱才統一。

 

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圖三、 紅色精靈第一個彩色的影像。[取自 sprite.gi.alask.edu 網站]

 

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圖四、 紅色精靈的結構圖。[取自sprite.gi.alask.edu 網站]

 

1995年Rairden和Mende在地面作觀測(Rairden and Mende 1995))利用特殊的CCD攝影機,其可解析的最短時間為63微秒(microsecond),對紅色精靈作動態的觀測,發現在雲與地面的閃電之後1.5~4毫秒產生紅色精靈。在紅色精靈產生後的0.3毫秒,亮度達到最亮並維持約5~10毫秒,然後光度減弱約10毫秒後消失。紅色精靈通常成群發,同一群中一個消散與另一個產生的間隔時間為1毫秒。近期觀測可解析的最短時間為推進到40微秒,可以讓我們看到對紅色精靈的動態有更進一步的瞭解。

目前觀測的技術以已轉為用望遠鏡在地面作觀測,解析度可達10公尺,看到了更細微的結構,發現原先觀測到如胡蘿蔔狀的紅色精靈,原來是由成群的細棒狀的光柱所組成,每個細棒底下有鬚(圖五)。所以紅色精靈的影像觀測可能經由觀測技術的精進而呈現出不同的風貌,紅色精靈的真面目仍有待我們去一窺究竟。

 

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圖五、 紅色精靈的精細結構影像。[取自EXL98 Champaign 網站]

 

 

三、紅色精靈的光譜



1995年科學家們開始對紅色精靈的光譜作分析,共有兩個研究群。第一個是Mende的研究群(Mende et al. 1995),他們用雙頻道的加強型CCD攝影系統(two channel bore sight intensified CCD video camera system)和分光儀(spectrometer),一方面觀察影像一方面記錄光譜。其光譜的觀測範圍是450~800奈米(nanometer),解析度是9奈米。結果發現在600~760奈米的範圍有4個主要特徵(features)如圖六,是屬N21PG的光譜範圍沒有發現有N2+ 的麥耐爾帶(Meinel band)的光譜,也沒有屬於N2+1N的光譜系統。可見紅色精靈中造成激化的電子能量並不高,不足以使氮分子游離化。

 

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圖六、 紅色精靈的光譜。[取自 Mende ]

 


在差不多同一時期,Sentman的研究群也對紅色精靈作光譜的測量(Hampton et al. 1996)。他們使用加強的CCD TC狹縫光譜系統(Intensified CCD TV slit spectrograph system),這系統曾用於測量極光(aurora)的光譜,測量的波長在540~840奈米的範圍,解析度為10和6奈米。共測量了10光學個事件,發現紅色精靈的光譜都屬於N21PG的範圍無N2+ 麥耐爾帶的譜線,結論與Mende的研究群相吻合。他也認為紅色精靈的事件中可能只有極少數或者沒有氮分子被游離。此外,他們也比較了紅色精靈與極光的光譜,發現二者的強度大致符合(圖七)。他們認為紅色精靈的發生可能主要是由於電子撞擊分子所產生的激化現象。在紅色精靈的彩色影像中的卷鬚部份為藍色,但光譜的測量方面至今都沒測到藍光的譜線,這可能是藍光易被大氣吸收,以致地面測量無法量到的原因。

 


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圖七、 紅色精靈的光譜。[取自 Sentman ]

 


在98年的觀測中Tohoku研究群的中的Takahashi將兩個多陽極陣列的光度計(Multianode array photometer簡稱MAPs)分別裝上560-580奈米與350-450奈米的濾光器(filter)測量N21PG 和N2 2PG的亮度比,得到電子能量隨時間與空間變化的分佈圖。並且發現在柱狀紅色精靈中具有較強的N22PG的輻射。另外Stanford 大學的研究群,也報告了與Tohoku大學研究群相類似的工作,也得到類似的結果。Alaska大學、Colorado大學、AFRL及NRL等幾個單位所組成的EXL98(Energetics of Upper Atmospheric Excitation by Lightning 1998)的觀測計畫,以飛機到雲層上用427.8nm的濾光器觀測紅色精靈捲鬚,只觀測到來自紅色精靈的捲鬚部分的微弱訊號(圖八和圖九),這表示紅色精靈的主體部分的氣體極少游離,而在捲鬚(接近雲頂)的部分,游離氣體較多於紅色精靈本體部分。427.8nm是屬N2+的藍光譜線,證明在捲鬚部分電子的能量是較高的。

 

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圖八、 紅色精靈的捲鬚彩色照片。[取自 EXL98 Champaign 網站]

 

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圖九、 紅色精靈的捲鬚,用427.8nm的濾光器的影像。[取自 EXL98 Champaign 網站]

 

 

四、雷達波與光度計的測量



閃電一般都會伴隨有很強的雷達波(Radio wave),而雷達波會影響地面的通訊,高空向上放電的現象是否也有強大雷達波是為人們所關心的,所以相關之雷達波測量也是另一個研究的目標。另外,由於攝影機的時間解析度只有17毫秒,這不足以瞭解紅色精靈等高空向上的放電現象的動態及其他更細節的地方,所以有著更精確的時間解析度的分光計(photometer)被用來研究這些光學事件發生的時間與強度的變化,還有它們與雲對地閃電的關係。

1993年Winckler測量高空向上放電與雷達波VLF sferic間的關係(Winckler 1995),其測量的系統稱為SKYFLASH的系統,包括VLF sferic的接收器,可測量頻率在300Hz到12KHz的雷達波。另一部分為分光計其解析度為1毫秒,他發現部份的高空向上放電事件伴隨有sferic被測量到,而且有SKYFLASH的現象。並非所有CI事件都有300Hz~12KHz的VLF sferic雷達波產生。而有VLF sferic雷達波的高空向上放電事件,其事件的強度是較強的。

在1994年Winkler的研究群作類似的研究(Winckler et al. 1996),雷達波的量測範圍為1-100KHz。量測結論仍為產生紅色精靈之前必需有一個雲對地的正閃電發生,而發生紅色精靈時未必可測到一個相對應的VLF sferic的雷達波。由光度計測得當閃電發生後約3毫秒後紅色精靈才出現,於是他們排除電磁脈衝(electromagnetic pulse簡稱EMP)為產生紅色精靈的機制。因為若EMP為產生紅色精靈的機制,那麼在閃電發生後的1個毫秒之內必會產生紅色精靈,但觀測結果並非如此。

同樣在1994年,Boccippio等人測量ELF瞬間的變化和電磁場(Boccippio et al. 1995),他也指出當有紅色精靈發生時,通常可找到一個相對應的具有強振幅的正閃電。(Fukunishi et al. 1996),他們使用的儀器除了ICCD攝影機外,還有時間解析度為15微秒的光度計,觀測的波長範圍在400~880奈米,他們發現了elves,名稱取自Emissions of Light and VLF perturbation due to EMP Sources。Elves發生在閃電之後的350微秒,持續時間小於1毫秒,其大小在水平方向可延伸100~300公里,發生在離地75~105公里的高度。

他們也觀測到紅色精靈的發生時間落後閃電約5毫秒,而紅色精靈與elves並無關連性。在他們觀測的35個光學事件中,15個有elevs也有紅色精靈,但3個事件有elves但無紅色精靈,另外17個事件有紅色精靈,但無elves。Elves是從頂端先發亮然後再往下延伸,而其向下傳播的速度約為光速的1/10~1/3。另外elves的發生與閃電有必然的關係,必先有閃電才有elves的發生。

1996年Inan等人(Inan et al. 1997),用光度計陣列來研究elves的傳播情形,量測的波長範圍在185~800奈光之間,他們測得elves是在閃電發生後的150微秒產生,而紅色精靈約在閃電發生後7毫秒產生。Elves是由中間向兩側傳播開來,涵蓋了水平方向200公里的範圍,觀測的現象與EMP方法所描述的相符,elves可說是由閃電所引起的電磁脈衝所造成的。

1998年Fukunishi的研究群在的觀測資料仍舊顯示elves的發生與紅色精靈的發生並不相關。他們曾在六小時的觀測中看到52 elves的光學事件,但卻沒有任何紅色精靈的紀錄。 無論是雲對地的正閃電(+CG)或負閃電(-CG),產生elves的機率是一樣的。Fukunishi認為觀測的結果與EMP模型是相符的,而且閃電引起的 EMP將對較低電離層的加熱作用有相當的重要性。


五、結論



關於紅色精靈的產生與閃電有絕對的相關性,因閃電而引起雲層頂端向上的放電現象。由紅色精靈產生的時間來看,可排除EMP為引發紅色精靈的機制,而EMP是產生elves的機制。紅色精靈通常成群發生很少單獨存在,而發生的位置也有重覆性。在紅色精靈影像的觀測部份,由於技術的精進,改用望遠鏡後,發現原本的葫蘿蔔狀的閃光竟是由一群光柱和光絲所組成;在動態方面觀測儀器的時間解析度越來越短了;光譜部分由原來認為紅色精靈中的電子不足以使氮分子游離,後來又發現有被游離的氮分子的振動光譜;這在在顯示當觀測技術更精進時,也許會有一些前所未有的現象將被發現。無論如何,這個領域為最近幾年來才發展出來的,有待大家去努力耕耘,以揭開其神秘面紗。

Reference:



1. D. J. Boccippio, E.R. Williams, S.J. Heckman, W.A. Lyons, L.T. Baker, and R. Boldi, “Sprites, ELF Transients, and Positive Ground Strokes,” Science 269 1088–1091 (1995).

2. W.L. Boeck, O.H. Vaughan Jr., R.J. Blakeslee, B. Vonnegut, M. Brook, and J.M. Kune, “Observations of lightning in the stratosphere,” Journal of Geophysical Research 100, 1465–1475 (1995) .

3. R.C. Franz, R.J. Nemzek, and J.R. Winckler, “Television Image of a Large Upward Electrical Discharge Above a Thunderstorm System,” Science 249 48–50 (1990).

4. H. Fukunighi, Y. Takahashi, M. Kubota, K. Sakanoi, U.S. Inan, and W.A. Lyons, “Elves: Lighting-Induced Transient Luminous Events in the Lower Ionosphere,” Geophysical Research Letters 23 2157–2160 (1996).

5. D.L. Hampton, M.J. Heavner, E.M. Wescott, and D.D. Sentman, “Optical Spectral Characteristics of Sprites,” Geophysical Research Letters 2389–92 (1996).

6. U.S. Inan, C.B. Leigh, S. Hansen, V.S. Glukhov, T.F.. Bell, and R. Rainrden, “Rapid Lateral Expansion of Optical Luminosity in Lightning-Induced Ionospheric Flashes Referred to as ‘elves’, ” Geophysical Research Letters 24 583–586 (1997).

7. W.A. Lyons, “Characteristics of Luminous Structures in the Stratosphere Above Thunderstorms as Imaged by Low-Light Video,” Geophysical Research Letters 21, 875–878 (1994) .

8. S.B. Mende, R.L. Rairden, G.R. Swenson, and W.A. Lyons, “Sprite Spectra; N2 1 PG band identification,” Geophysical Research Letters 22 2633–2636 (1995).

9. R.L. Rairden, and S.B. Mende ,“Time resolved Sprite Imagery,” Geophysical Research Letters 22 3465–3468 (1995).

10. D.D. Sentman and E.M. Wescott, “Observations of Upper Atmospheric Optical Flashes Recorded from an Aircraft,” Geophysical Research Letters 20, 2857–2860 (1993) .

11. D.D. Sentman, E.M. Wescott, D.L. Osborne, D.L. Hampton, and M.J. Heavner, “Preliminary results from the Sprites94 aircraft campaign : 1. Red sprites,” Geophysical Research Letters 22 1205–1208 (1995).

12. O.H. Vaughan Jr., R.J. Blakeslee, W.L. Boeck, B. Vonnegut, M. Brook and J. McKune Jr., “A cloud-to-space lightning as recorded by the space shuttle payload-bay TV cameras”, Mon. Weather Rev. 120 1459-1462 (1992).

13. J.R. Winckler, “Further observations of cloud-ionosphere electrical discharges above thunderstorms,” Journal of Geophysical Research 100, 14335–14345 (1995) .

14. J.R. Winckler, W.A. Lyons, T.E. Nelson, and R.J. Nemzek, “New high-resolution ground-based studies of sprites,” Journal of Geophysical Research 101, 6997–7004 (1996)

 

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