高空向上閃電現象之觀測歷史

建立於 2010-10-12, 週二

雷電區上,高空向上閃電這件事可以追溯到1886年 [Lyons, 1994]。但是並沒有很確切的証據。80年代有些飛機駕駛員報告了看到類似鬼魅般的紅色閃光 [Vaughan and Vonnegut, 1982; 1989]。但這些事情聽起來仍然是像神話一般。


一直到了1990年Franz 等人報告了在雷雨上層有個向上閃電現象並有圖為証 [Franz et al., 1990],才正式比較有個科學文獻以資証明。然而這畢竟是個偶發事件,雖然非常令人驚奇,但仍有待進一步釐清。兩年之後,Vaughan等人報告太空梭 不經意地錄下了20多個類似事件 [Vaughan et al., 1992]。而真正系統性確認是由 Sentman 等人,藉由多次飛機駛入雷雨區雲層上端直接錄相攝影才得以完成 [Sentman and Wescott, 1993; 1994]。數以百計的數據,範圍涵蓋美國、中美洲及亞馬遜流域。由於不清楚它的物理機制,這些紅色閃光被 Sentman 等人命名為Red Sprite。而因為景色殊為壯觀?色彩極其艷麗,它被讚嘆為自然奇觀之一。Red Sprite 彩色照片參見前面彩色圖片。

目前關於Red Sprite 及相關的現象如Blue Jets [Wescott et al., 1995]及Elves [Inan et al., 1995; 1996; Dowden et al. 1995; Reising et al., 1996],地面觀測數據大概有上千個,但數據都是侷限於美國中西部。而高空向上閃電現象自1994年已成為AGU(American Geophysics Union)的一個Special Section。並已成為國際會議的主題。

目前地面與飛機觀測已有結果。全世界大概有12個左右的研究群有從事光學測量。另外,有不少的研究群也已得到部 分相關的無線電頻譜 [Inan et al., 1995; 1996; Dowden et al. 1995; Reising et al., 1996]與?-ray emission 證據 [Fishman, et al., 1994]。整個研究己成為太空物理研究的重要主流。

Sprite physics 事實上關聯到高空大氣層,而這正是目前被公認太空物理的主要課題 (Key Topic) 之一。高空向上閃電無疑地可提供middle atmosphere 與upper atmosphere一個極其重要的耦合機制。事實上。在地球上無論何時,總是大約有2000個雷雨(thunderstorm)在發生著。這個數據進一 步分析告訴我們全球大概每秒有100個左右的閃電 [Volland, 1984],這些閃電使得地表與電離層大約有300KV的電位差 [Uman, 1987, p.30]。閃電放電可以放出非常強的電磁脈衝波,整個脈衝能量≧20GW。其瞬間電場峰值在mesospheric 高度約有數10KV/m,而在20到80km高度的電壓降落可到達100MeV,這麼巨大的能量與電場可以對於改變大氣層中電子與離子密度分佈。影響到整 個地球大域電流(global electric circuit)分佈 [e.g., Hays and Roble, 1979],並有機會產生高能量的加瑪射線(γ-ray) [Fishman et al. 1994]。

而的確這些機制與相關現象是以前人們所難以想像。雖然已有部份進展,但這其中依舊是有不少謎團。透過高空閃電現象研究,可以使得我們對這些課 題得到進一步澄清。如前所言,這裡頭衛星量測數據將是最具決定性。

我們的衛星資料可對大氣層電磁動力學行為(特別是閃電部份之研究)提供直接的觀測證據與全球性分怖的觀測證據。並將可與

(1) 目前不多的γ-ray emission資料,

(2) 地面的VLF, ULF及ELF觀測數據,以及

(3) 地面閃電觀測資料

作相干(correlation)校正。

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