高空閃電現象的物理機制

建立於 2010-10-12, 週二

對於middle及upper atmospheric 放電現象可以用一些近似物理機制來了解,這樣子可以設法降低複雜性,並掌握整個圖像。雷雨所造成充電現象(electrification)可以猜測為閃 電出現一主因。它造成了電子加速,經由碰撞,各式各樣的輻射就可能發生。這些機制其實仍有待進一步數據,尤其是不同波段的數據的驗證。

 

光譜特性可以由這些機制來設定、摹擬及至判定。雷雨區內的充電現象(Thunderstorm Electrification),是整個高空閃電現象的起因。整個物理圖像可以如此看待:我們可以假設一個大的正電荷(>100C)可以在一個雷 區產生,造成在雲端上頭一個負的屏蔽電荷。一旦放電,正電荷自雲區移至地面,此時必然造成middle atmosphere(20-90km)的電荷重新佈置。這個造成眾多的電子的加速,彼此碰撞,一旦有超過11eV則N2 分子將可被激發到其B state,這個條件應該是不難達到。而自發輻射(spontaneous emission)的結果,由B state 到A state 就可以產生紅色為主 N2 1PG的光譜。這種圖像所建立的模型可以解釋何以Sprite 的光放射(optical emission)最高只能到90km左右,而最大的亮度是發生在75km高 [Pasko et al., 1995, 1996a,b, 1997; Boccippio et al., 1995; Winckler et al., 1996]。這個模型也說明何以閃電發生的地點與Sprite optical emission 有距離及時間差,但是這個模型無法說明何以一開始發生Sprite emission也有向下的鬍鬚狀的emission [Fukunishi et al., 1996]。

 

如果我們考慮的是電子與中性原子分子碰撞導致N2 的離子化及至於N2+ 的激發,則我們可以有N2+ 1N的光譜(Meinel光譜),這個機制涉及到一個向上傳播的電磁脈衝(Electromagnetic pulse, EMP)。這個EMP可以造成電子加速,導致60km高處的空氣分裂(breakdown)。這是對前面純粹以 quasi-electrostatic機制加上修正考慮動態電磁脈衝之後之修正 [Inan et al., 1991, 1996b; Taranenko et al., 1993a,b; Milikh et al., 1995; Rowland et al., 1995, 1996; Glukhov and Inan, 1996]。如果我們考慮離子化之後又造成電子加速,被加速的電子之後又碰撞造成離子化,形成一個循環的可能性。這個循環一旦能夠建立起來,可以產生大量 的電子、離子及optical emission,也可能造成runaway electron使得電子能量能達到1MeV之後,就有可能造成 Bremsstrahlung χ-ray及γ-ray。這時候相對論的效應是要考慮。雖然高能量γ-ray產生現象可以runaway electron機制來探討 [Wilson, 1925; Bell et al., 1995; Lehtinen et al., 1996; Taranenko and Roussel-Dupre, 1996],但是真象是否如此仍有待澄清。而Blue Jet的光譜或許可以多用electron attachment來產生,但是真象是否如此仍有待澄清。

 

前面所提到的各種機制圖像,經由摹擬計算,或多或少與目前觀測數據吻合,但是由於目前數據其實並不週全,加上前面機制的圖像仍嫌粗略,嚴格說來整個高 空大氣閃電現象仍亟需更多的數據。另外,目前數據均為地面與飛機觀測,衛星數據提供的相干校正是極其重要。在底下我們列出要觀測的波長

波長 其背後之理由 產生此波長之機制的
threshold (eV)
120-200 nm 量測LBH N2
(revel the UV signature of sprites and jets;
不受parent lightning影響)
About 8.4
337.0 nm 量測 2nd. Pos. N2 About 10.9
391.4 nm 量測 1st neg. N2+ About 18.6
500 nm 量測 NII(19)
(指示一個high peak lightning current)
About 22.9
650-900 nm 量測 1st. pos. N2 About 7.4
777.4 nm 量測 OI(1) Lightning
(指示一個lightning stoke)
About 10.8
785.2 nm 量測 Meinel N2+ About 16.7
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