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上窮碧落追閃電

紅色精靈、藍色噴流、淘氣精靈、巨大噴流等全是高空中的短暫發光現象,許多機制目前仍是謎。
 
 
 
從 20 世紀初到最近幾十年來,曾有科學家看到由下往上的閃電現象,但因缺乏確切影像紀錄而無法探究。1989 年夏天,美國明尼蘇達大學研究人員在測試一個低光度攝影機時,意外發現紅色精靈,從此開啟了一個新的大氣電學研究。探討內容以高空短暫發光現象和其對地球環境的影響為主,美國地球物理聯盟對這項研究相當重視,把「高空短暫發光現象及其效應」列入每年的討論議題之一。

但是在做觀測時常有兩個困擾。一是大部分觀測集中在美國中西部,缺乏全球性的觀測數據。另一是地面或飛機觀測的資料易受大氣吸收影響,這是因為臭氧層會吸收紫外線,而高空短暫發光現象大都發生在臭氧層之上。因此最理想的方法是超越大氣層的限制,從衛星上觀測,才能了解更多相關的物理機制。在這個新的研究領域中,臺灣是第1個從衛星上觀測高空短暫發光現象的國家。

從衛星上觀測高空閃電

2004 年 5 月 21 日發射升空的福爾摩沙衛星二號(以下簡稱福衛二號),負有兩項科學任務。一是透過一個大望遠鏡對地面做遙測,另一是裝載影像儀、陣列光度儀(有藍光與紅光兩個波段)、光譜光度儀等觀測儀,從衛星上觀測高空短暫發光現象,以便探討高層大氣中的短暫發光現象,進行科學研究。

這項任務源起於 1998 年,當時的成功大學物理系陳志隆教授(現為交通大學光電所教授)在國家太空計畫室(國家太空中心的前身)首席科學家李羅權院士(時任成功大學理學院院長,現為國科會主委)的督導下,組成一支紅色精靈研究團隊,進行高空大氣短暫發光現象的研究。

1998 年 12 月,這支團隊提出的「高空大氣閃電影像儀計畫」,在公開徵選的「科學實驗計畫書」中脫穎而出,得到把觀測儀裝在福衛二號上做觀測的機會。那是一項國際合作研究計畫,參與單位除成功大學、中央大學、交通大學外,還有美國加州大學柏克萊分校和日本東北大學。而之後所有在地面上觀測到的紅色精靈、淘氣精靈、藍色噴流、巨大噴流等現象,也都在衛星觀測中看到。

紅色精靈與正閃電有關

紅色精靈現象是指雷雨雲向地面放電後,在幾個毫秒內,雲層頂端與電離層間距離地面 30 ~ 90 公里高空中所引起的一種發光現象。紅色精靈在空中持續出現約 0.01 ~ 0.2 秒,發光體呈紅色,上面有一些藍光。這是因為大氣中 80% 是氮氣,氮氣受到電子加速度激發而產生 650 ~ 700 nm 波段的紅光,藍光是由受激發的氮離子(427.8 nm)與高激發態的氮分子(399.8 nm)所造成的。發現紅色精靈後,有人重新檢視太空梭錄影帶,證實在 1989 年秋天的某些閃電上空,確實看到紅色精靈。

大部分時候雨雲上方有正電荷,下方有負電荷,常見的閃電現象就是負電荷往地面打的「雲對地閃電」,又稱負閃電。但是有時候,雲上方被風吹過以後呈現鐵鉆形狀,在正電荷比較凸出時,有可能正電荷往地面打,這就是正閃電。正閃電與負閃電的發生機率大約 1 比 10。

而紅色精靈的發生機制是,上層的正電荷對地面放電後所留下的負電荷,在一瞬間感應出一個由上到下的強大準靜電場,這個電場把高空中的電子加速到足夠能量,導致空氣中的分子或原子游離化,而造成一連串崩潰效應。因此產生的大量電子,會因為激發空氣分子而出現發光現象,也就是紅色精靈。全程持續時間從數個毫秒到 100 毫秒。

2001 年 5 月,成功大學團隊在阿里山氣象站第1次拍攝到紅色精靈,同年 9 月 24 日,又在成功大學校區內拍攝到。他們分析發現,發生在陸地上空的紅色精靈經常成群出現,但是發生在海洋上空的紅色精靈,常以單根形態出現。這些觀測資料與分析結果被 2002 年 10 月出版的《地球物理研究》(Geophysical Research Letters)選為封面故事,成功大學團隊拍攝到的紅色精靈影像也成為當期的封面照片。

由福衛二號得到的觀測資料顯示,除北美洲地區因為衛星在夏天無法操作觀測所造成的差異外,整體而言,紅色精靈的全球分布與已知的閃電的全球分布情形相當一致,主要活躍地區在非洲中部、南中國海、南美洲等地方。而成功大學團隊以衛星觀測數據估算「紅色精靈中的電場強度與平均電子能量」所得到的結果,則與紅色精靈的理論預測數值相符,但是與地面觀測結果比較時卻高出約 2 倍。由此可證,未受大氣干擾的衛星觀測比較準確。

淘氣精靈與海水溫度有關

另一個高空閃電發光現象是淘氣精靈,其英文字 Elves 是由 Emissions of Light and VLF perturbation due to EMP Sources 裡的一些字母所組成。

淘氣精靈是一種顏色偏紅、外形呈環狀或碟狀的發光現象,發生高度接近電離層(約 90 公里),直徑約 300 公里,持續發生時間小於 1 個毫秒。發生機制是雲層中發生閃電所造成的電磁脈衝波打到電離層,使得電離層受熱發光。這時的電磁脈衝波形狀有如一個甜甜圈,由橫切面看到的環狀發光現象就是淘氣精靈。其實早在 1990 年,就有人提出理論認為這種現象可能存在,只是直到 1995 年才被美國地面觀測人員觀測到。

若從已知的全球閃電分布來看,閃電在海洋上空的發生率僅是陸地上空的十分之一。但從福衛二號科學酬載 ISUAL 的資料上看,海洋上空的淘氣精靈的發生率與陸地上差不多。這就意味著,海洋上空的閃電特性與陸地上的閃電特性不太一樣。後來又想到,這種現象可能是海洋上空的閃電擁有比較多強電流閃電所造成的結果,於是把全世界的海水溫度與淘氣精靈資料做一比較。

結果發現,淘氣精靈出現密度較高區域的海水溫度也比較高,尤其海水溫度高於攝氏 26 度(產生颱風的必要條件)以後,淘氣精靈的生成率幾乎呈指數增加,顯示淘氣精靈的發生率與能量較高的水域有關。至於能量高的水域是否會產生較多強電流閃電,仍需要進一步驗證。

此外,成功大學研究團隊又以數據證實,淘氣精靈確實帶有很強的遠紫外光輻射。研究人員由分析淘氣精靈的光譜得知,在直徑約 165 公里,厚度約 10 公里的淘氣精靈裡面,每立方公分的電子數量從 100 增加到 210。也就是說,在淘氣精靈的發生過程中會產生離子化現象,導致當時的電子濃度增加 50%。因此在通訊時,如果電磁波打過來,受到電子濃度增加 50% 的影響,通訊資訊會被打亂而收到不正確訊號。

成功大學博士生郭政靈(後來在中央大學太空所做博士後研究)曾做過一些淘氣精靈的理論模型來驗證這些資料,他模擬出一些隨時間、空間變化的情況,所得結果與衛星觀測數據中得到的相符,之後又與美國閃電偵測網比較,也驗證這個理論模型相當正確。

藍色噴流機制尚無定論

無論紅色精靈或淘氣精靈都是由閃電引起的,但是另一個高空閃電發光現象藍色噴流卻不是。藍色噴流的發現也是一個意外。1994 年,美國阿拉斯加大學研究團隊在使用彩色低光度攝影機觀測紅色精靈時,意外發現藍色噴流。藍色噴流是指雨雲頂端大概 15 公里處發生的一股由下往上的噴流,噴發到約 50 公里的高空,歷時約 0.3 秒,平均速度每秒約 100 公里。

一般看法認為噴流中的藍光是由氮離子產生,不過成功大學團隊對於「藍色」的說法採取保留態度,因為他們在 2007 年的地面觀測中也看到這種噴流,可是看到的顏色是紅色,不是藍色。

關於藍色噴流的發生機制,比較多人認為雲層頂端有一些正電荷,其形狀有如一個尖端;雲層上方的電離層形狀有如一個平板,當正電荷往電離層放電時,會發出一股正電流往上衝的 streamer(目前尚無中文名稱)。

可是另有一個看法認為藍色噴流是負電荷往上衝,不是正電荷往上衝。這個看法的最大優點,在於可以藉由「電子碰撞頻率和放電的起始電壓與大氣壓成正比特性」,說明藍色噴流的流速幾乎是一定的。可是這個模型需要有一個「雲對雲閃電」,才能觸發噴流的產生。由於大多數的科學觀測都未發現與藍色噴流有關的閃電,因此這個模型尚未被接受。

換句話說,對於藍色噴流的發生機制,上述兩種說法究竟哪一個比較正確,尚無定論。然而,在成功大學團隊 2007 年 10 月的觀測中,曾經觀測到藍色噴流旁邊有相對應的閃電,如果能進一步確認,或許第2種模型會被接受。

發現巨大噴流震驚全球

對於高空閃電現象的研究,巨大噴流的發現是一個重要分界點。2002 年 7 月 22 日,成功大學團隊在墾丁聯勤鵝鸞鼻活動中心觀測時發現,菲律賓西方海域約 500 公里處,一個熱帶低氣壓邊緣的對流包上空出現噴流。從形態與動態上分析確信,那是一個全新的高空閃電發光現象,也就是現在所說的巨大噴流。這個發現震驚全世界,美國《洛杉磯郵報》曾評論報導:「這個觀測的發現有如生物學家宣稱在人體內找到新器官一樣令人興奮……」相關觀測結果發表在 2003 年的《自然》(Nature)雜誌上。

所謂巨大噴流是指在雷雨雲層頂端 15 ~ 90 公里的電離層間,出現高度約 75 公里,最大寬度約 40 公里的連通光路,發光時間持續約 0.5 秒,附近沒有雲層閃光(意即沒有相對應的雲對地閃電)。這個結果相當有趣,因為以前觀測到的噴流,大都是從雲頂到達 50 ~ 70 公里高處,從未打到 90 公里的電離層。

又從「日本東北大學低頻電波訊號量測站」量測到的電波訊號得知,對應於巨大噴流的雲,其對電離層的閃電是負極性的。意即,因為大量負電荷電流由雲層頂端向上傳送至電離層,以至於產生有如閃電回擊般的完整噴流。只是雲層上方的負電荷究竟是從哪裡來的?這仍一個謎!記得臺灣大學訪問教授王寶貫教授(雲物理專家)在演講中曾提到:「有一種雲可以衝得特別高,它可能帶負電。」這或許是一個可以繼續探討的方向。

科學界對於巨大噴流的發生機制仍不清楚,只知道有樹狀巨大噴流與蘿蔔狀巨大噴流,而且知道有些巨大噴流發生在一個小噴流之後(約 0.12 秒)。現在只能推論,小噴流可能是巨大噴流的前導,小噴流打通一點以後,緊接著出來的大噴流可以打通到雲層頂端。臺灣是一個海島,而到 2007 年為止,成功大學團隊已經觀測到 9 個巨大噴流,這種地理位置的特性,令大家以為只有海面上會產生巨大噴流,於是國外觀測者也開始往海洋上空觀測。

然而令人驚喜的是,2004 年鹿林山天文台觀測站在大陸安徽省上空的一個鋒面系統上,觀測到一個持續時間約 0.3 秒的樹狀巨大噴流。這讓大家知道,不只海洋上空會產生巨大噴流,陸地上空也會產生巨大噴流。

閃電現象很複雜

福衛二號每天繞行地球 14 次,早晚約 10 時經過臺灣上空一次,裝載在上面的觀測儀器則一直進行觀測任務。其中的影像儀可以直接拍攝影像,視野角度 20o × 5o,在地球臨邊附近的空間解析度是 2 公里,涵蓋範圍 285 萬平方公里。

陣列光度儀有 16 個通道(具高度解析度),可以拍攝到影像光度隨高度變化的情形。光譜光度儀有 6 個通道,可以觀測 6 個不同光譜的光度變化。整套觀測儀器主要涵蓋範圍在南、北緯 30 度間,可是不包括南大西洋異常區,因為那地方的宇宙射線特別強,通過那些區域的上空時必須關機,否則儀器易被打壞。

福衛二號執行這項科學任務的目標有 5 項:第一,確定高空短暫發光現象的動態演歷和頻譜變化,以解開高空短暫發光現象發生的謎團。第二,從事高空短暫發光現象紫外線波段的探索。第三,確定出現高空短暫發光現象時大氣的離子化程度。第四,建立高空短暫發光現象全球分布統計數據的資料庫。第五,建立大氣輝光和極光的全球分布,以及極地附近極光隨海拔高度變化的觀測資料庫。

閃電是一種相當複雜的放電現象,每一個閃電發生時,前面有一個前導,然後慢慢產生通路。等到整個通路通了以後會出現另一個回擊,緊接著大約 30 毫秒又有下一個前導與回擊。一個閃電約有二、三個回擊,這才是我們看到的閃電。

一般看法認為,巨大噴流是一個雲對電離層的向上閃電現象,若是如此,應該可以把研究「雲對地向下閃電」所使用的方法套用到巨大噴流上做研究。至於成功大學團隊在這個研究上的進度,目前除繼續蒐集與分析紅色精靈、藍色噴流、淘氣精靈、巨大噴流等的資料外,接下來要往大氣輝光、極光等領域探討。

:本文是二年前的演講內容,關於巨大噴流的可能機制與相關研究成果,近二年來已有相當多的進展。

由國科會主辦,臺灣大學天文物理研究所承辦的「2007 年秋季展望系列演講」共舉辦 8 場,主題是「科學—永恆的追尋」,演講的內容橫跨了天文、太空、大氣、地科、能源、電機、腦科學,以及生物醫學。本篇是 96 年 10 月 26 日第4場講座的演講實錄。
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