大气所揭示跳舞状红色精灵与对流层雷暴结构和

2019-07-16 作者:科学研究   |   浏览(106)

红色精灵是发生在雷暴云上方的一种中高层大气瞬态发光事件。在一次红色精灵发光事件中,如果后一幅图像中红色精灵的空间位置与前一幅相比有偏移,则通常被称为跳舞状红色精灵(就像在空中跳舞一样)。这类红色精灵持续时间一般较长,通常发生在较大的中尺度对流系统上方,其发生概率相对较少。跳舞状红色精灵与对流层雷暴结构和闪电物理过程有怎样的联系?

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中国科学院大气物理研究所中层大气与全球环境探测重点实验室副研究员杨静等,利用在山东地区获取的跳舞状红色精灵微光观测图像、地面多普勒雷达、闪电超低频电磁辐射( ultra-low frequency )、闪电甚低频(Very-low frequency)定位等多种同步观测数据,对上述问题开展了仔细研究,发现产生跳舞状红色精灵的母体闪电回击电流峰值并不大,仅为24 kA,而且,红色精灵簇(Sp1,Sp2和Sp3总体上称为红色精灵簇sprite cluster)并没有出现在母体闪电落地位置的正上方,其中红色精灵单体(sprite element)Sp3与母体闪电落地位置相比水平偏移至少在38 km以上。

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通过仔细对比红色精灵单体出现的方位角与母体雷暴雷达回波结构,发现跳舞状红色精灵单体出现的高度可能与雷暴的雷达回波顶高有关,出现位置较高的红色精灵单体与较高的雷达回波顶高相对应。超低频电磁辐射数据进一步表明,所有的红色精灵单体均出现在母体闪电的连续电流阶段,说明连续电流过程中转移的大量电荷在中高层大气中产生了一个较大电场,导致中高层大气电离进而产生光辐射,这也解释了为什么母体闪电回击电流峰值较小还能够诱发红色精灵的原因。

各类闪电高空分布图

上述成果近期被Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics接收。

夏季是雷雨多发时节。在电闪雷鸣之际,你可曾想过它们是从哪来的吗?高空中的闪电长着什么模样、脾性如何?它们又是如何影响人们的日常生活?

论文信息:Jing Yang, Gaopeng Lu, Li-Jou Lee et al. 2015: Long-delayed bright dancing sprite with large Horizontal displacement from its parent flash. J. Atmos. Terr. Phys., 129, doi:10.1016/j.jastp.2015.04.001.

这也正是中国科学院大气物理研究所“百人计划”项目研究员陆高鹏博士的研究团队所长期关注的问题。为了更好地厘清闪电发生和发展的物理机制,他的团队在全国架设了多个观测站点,初步建立了闪电临近空间效应研究平台。

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通过织就的这张精密“地网”,利用中国科学技术大学祝宝友副教授团队开发的定位算法,他们记录了2015年夏季山东省一次中尺度对流系统上空中的30多次红色精灵事件母体闪电及相关天电信号的定位结果。这项研究成果预发表在学术期刊《大气科学进展》上。

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利用天电信号实现闪电定位

图1. 跳舞状红色精灵时空演变

闪电是云与云之间、云与地之间或者云体内各部分之间的强烈放电现象。通常来说,任何来自于闪电的可测电磁信号,都能用来定位和探测闪电发生的过程。

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目前,用来定位和探测闪电发生过程的信号主要有声、光、电场和磁场四类。“我们研究中所指的天电信号,就是闪电产生的电磁辐射信号。”陆高鹏博士介绍说。

图2. 产生跳舞状红色精灵的母体雷暴结构和母体闪电放电模型

闪电放电会辐射出很宽频的电磁脉冲,其频率范围从极低频一直到超高频,其中甚低频到低频波段辐射信号最强。它所产生的有效电磁能量从几赫兹到几百兆赫兹,甚至更高。

很多时候,尽管在地面上的某一地点并没有直接看到闪电现象,但却收到闪电产生的电磁辐射信号。这意味信号来自远处发生的闪电。如何根据电磁辐射信号来判断闪电发生的位置呢?

陆高鹏博士介绍,主要有磁定向法、时差法,以及这两者相结合的方法等。磁定向法采用一对南北方向和东西方向垂直放置的正交环磁场天线来测定闪电发生的方位角,并与水平放置的电场天线组合进行波形鉴别。时差法则采用电磁信号到达不同测站的时间差进行闪电定位。

事实上,仅凭单一站点的信号,很难确切知道闪电到底来自哪里。因此,通常需要架设3个或更多的站点,将多个站点收到的信号进行测量和计算,从而确定闪电的位置。

高空中闪电为何多姿多彩

在中高层大气中,由于空气非常稀薄,电击穿介质所需要的电场强度比地表小得多。因此,强度较大的闪电放电产生的电磁场可以导致中高层大气中的介质被击穿,产生了多种形式的瞬态发光现象,如红色精灵、巨型喷流和蓝色射流等。

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