反向闪电的自然现象

与大多数常见的闪电不同,它没有劈向大地,而是从雷暴云上部射向高空的电离层。这一闪电威力巨大,释放出高能电荷,迅疾射向75公里的高空。由于这种罕见的闪电,稍纵即逝,因此杜克大学的科学家抓拍下的这张“反向”闪电照片可谓弥足珍贵。美国科学家日前抓拍下一次非常罕见的闪电,与大多数常见的闪电不同,这次闪电没有劈向大地,而是从雷暴云上部射向高空的电离层。这一闪电威力巨大,释放出高能电荷,迅疾射向75公里的高空。

必威,罕见闪电由地面射向75公里高空

出品:科普中国

在我们生活的地球上,闪电是很常见的自然现象之一,尤其是在炎热的夏季。那么,你对闪电的形成原理又知道多少呢?很多人有所不知,哪怕是来自太阳的紫外线辐射、深空的宇宙射线,都可以产生闪电所需要的电荷。但是,若将这样的机制置于火星上,那么可能就不足以让闪电产生。为什么火星上的闪电比地球上的闪电更微弱、且更加罕见?

简介

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制作:蒋如×若斌(中国科学院大气物理研究所)

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反向闪电。这种闪电释放的电能比普通闪电要大得多,这种闪电又被称为“大喷气式飞机”。

美国科学家日前抓拍下一次非常罕见的反向闪电

监制:中国科学院计算机网络信息中心

火星上的闪电现象微弱且罕见

这种闪电与通常见到的闪电类似,但又是两种完全不同的自然现象。库莫已经将这一发现撰文发表在最新的《自然-地理科学》杂志上。

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高温过后,全国多个地方出现雷暴天气,发生短时强降水和频繁的闪电,一些强雷暴天气过程甚至持续好几个小时。有市民拍摄到多段罕见且壮观的闪电现象,闪电瞬间照亮天空,黑夜仿如×若白昼。

2006年,科学家们发现了火星上沙尘暴中的微波辐射;2009年,发现了火星存在闪电的第一个证据;科学家们通过一项新的研究,又有了新的发现:因为火星这个红色星球的空气稀薄,所以,倘若闪电存在于火星之上,那么它也不可能像地球上的闪电那样充满活力,并且,还会表现的更加微弱且足够罕见。

特点

从2001年起,人们只抓拍下5次“反向”闪电的照片

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库莫教授介绍说,从测量结果看,普通闪电的放电量和“大喷气飞机”是可比的,不过“大喷气飞机”的速度和作用的距离比普通闪电要大许多。这是因为,从雷暴云上部至高空的电离层空气稀薄,闪电遇到的阻力要小许多。“大喷气飞机”通常在雷雨天气出现,可以射向90公里远的高空。

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人类自古以来对雷电的巨大威力心存敬畏,最开始,人们从神话、艺术的角度对雷电添加了诸多朴素的理解,认为其是由专司打雷和闪电的天神——“雷公电母”所造就,而西方传说中也有“雷神”这一角色手持巨锤击出雷电。

反向闪电的自然现象。空气稀薄的红色星球气候如何

抓拍

这种闪电又被称为“大喷气式飞机”,持续时间仅仅有1秒钟

18世纪中叶,着名的富兰克林风筝实验后,人们才了解到雷电是大气中的“放电现象”。实际上,雷电在大气中由“雷暴”所孕育,它同时还伴随着密布的乌云和疾风骤雨。

火星的气氛比地球的大约薄100倍,平均温度约为零下60摄氏度,因为,火星的稀薄大气层与太阳的距离更远,这便意味着火星比地球更冷。灰尘也是火星大气中的永久性部分,尤其在北方的秋季和冬季含量较高,北方春季和夏季相对含量较低,巨大的尘埃常常将“氧化铁尘“覆盖在火星表面。

尽管每次雷暴天气时,都会电闪雷鸣,但是这种“反向”闪电十分罕见。从2001年起,人们只抓拍下5次“反向”闪电的照片。由于这种罕见的闪电持续时间仅仅有1秒钟,稍纵即逝,因此杜克大学的科学家抓拍下的这张“反向”闪电照片可谓弥足珍贵。

美国科学家日前在北卡罗来纳州抢拍到一次非同寻常的闪电。这次闪电没有击中地表的建筑和森林,而是反常地由地面射向高空的电离层。闪电异常迅速,眨眼间便垂直射向75公里的高空。

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火星的季节性变化,是由于二氧化碳冰盖的上升和下降,造成了大气中的尘埃在周围移动,以及水蒸气在地表和大气之间移动。在冬季,极地区域中的温度会使部分物质凝结成在其表面上的冰。CO
2 也会升华掉在春季和夏季冰帽,返回到气氛。这种循环的CO
2进出表面上的冰,在火星年的过程中改变由百分之几十的大气质量。

北卡罗来纳州杜克大学的史蒂芬·库莫和同事近日在观测闪电时,碰上了这次“反向”闪电,幸运地是他们还抓拍下这一罕见现象。

美国北卡罗来纳州杜克大学的史蒂芬:库莫和同事近日在观测闪电时,捕捉到了这次罕见的闪电,并即时进行了拍摄。

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库莫介绍说:“尽管光线较弱,但由于是满月,我们及时拍摄到了。当时那一瞬间大约只有1秒钟,不过我们同时进行了磁场测量。结果显示,这次闪电向电离层放射了大量电荷,放电量约为1000到2000库仑。”

库莫介绍说:“尽管光线较弱,但由于是满月,我们及时拍摄到了。当时那一瞬间大约只有1秒钟,不过我们同时进行了磁场测量。结果显示,这次闪电向电离层放射了大量电荷,放电量约为1000到2000库仑。”

上:对流旺盛的雷暴云及其产生的雷电(图片来源:Roger Hill/Solent News &
Photo
Agency,

火星沙尘暴发出的非热微波辐射

据悉,这种由地面射向高空的罕见闪电迄今为止人们仅观察到5次,首次发现在2001年,科学家为它命名为“喷气式飞机”。这种闪电与我们通常见到的闪电类似,但又是两种完全不同的自然现象。“喷气式飞机”通常在雷雨天气出现,可以射向90公里远的高空。

下:典型雷暴云内的电荷分布(图片来源:美国亚利桑那大学网络课件,

科学家使用探测器通过测量其电场强度的高阶矩,来区分热和非热源的辐射,并得到了火星尘暴发射“非热微波辐射”的证据。在深空网络的34米射电望远镜中,安装了探测器进行测量,每天大约进行5小时。只有当一个35公里深的火星尘暴在射电望远镜视场内时,科学家们检测到几小时的一些非热辐射。

库莫已经将这一发现撰文发表在最新的《自然—地球科学》(Nature
Geoscience
)杂志上。

雷暴是什么?

并且,这些非热辐射的光谱,在火星舒曼共振的最低三种模式的预测值附近,有显着的峰值。SR由火星表面与其电离层之间的同心球腔中形成的电磁驻波引起,并由大规模放电强迫。因此,非热辐射可能是由火星尘暴中的放电所引起的结果。这些调查以及科学小组在过去进行的实验室和现场实验的结果,都推动了观察结果。

更多阅读《自然—地球科学》发表论文摘要

在大气科学研究中,通常将产生雷电的天气系统过程称为“雷暴”,它是一种局地性强对流天气,发生时可伴随强风、显着的降水以及频繁的雷击。

因为传感器和行星本身的热辐射强度,通常比数值大几个数量级,所以,在低空间分辨率下,传统的基于功率的技术很难区分热辐射和非热辐射。在密歇根大学开发的一种创新的微波探测器中,行星的非热辐射,可以测量信号的功率和峰度。因为,峰度对非热辐射的存在极为敏感,但对热辐射强度或辐射计接收器增益的变化不敏感。因此,它能够检测出比普通热辐射强度低得多的非热辐射。

大气中的水在不同压强和温度下可呈现气、液、固等相态。水汽遇冷凝结成的小水滴和冰晶,聚合浮浮中空中成为云,当气流“托”不住云,往下掉落并融化成的水滴即是雨。众所周知,对流层大气的温度随高度递减,在几公里高度上即可降至冰点,所以,湿热空气的对流抬升是形成云和雨的关键。地球表面受太阳辐射加热不均匀、冷气团和暖气团的交汇、气流遇地形阻挡爬升等,都可能形成对流抬升。若水汽充沛、对流旺盛,抬升形成的云可达几到十几公里厚,最终将降下倾盆大雨。

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在高空零下十几到几十度的环境中,大量水成物粒子发生增长、碰撞、合并、分离等过程,是雷暴云起电的根源——大气对流的不稳定和能量的剧烈变动,使得雷暴系统内部存在复杂的气流运动,水汽凝结而成的小冰晶,随着气流运动和环境温度的变化,将发生花样百出的变身,形成雪晶、雪花、雹(如如软雹、小雹粒、冰雹)等等。此外,雷暴中还存在0度以下仍未结冰的“过冷水”。在复杂的气流中,它们之间的“摩擦”无可避免——于是,电就被“擦”了出来。

为什么专注于研究沙尘暴能产生的闪电

具体而言,在零下十几到几十度的环境中,冰、雪、雹等粒子的身姿体态和大小重量不尽相同,随气流运动的速度也就快慢有别,不同粒子间的碰撞就必然发生!微观上,冰、雪、雹等粒子的碰撞和弹开,会发生细小的电荷转移,使不同粒子携带正、负相反的电荷;宏观上,不同粒子因密度、重量的差别而随气流分层聚集。形象的说,雷暴系统如如同一台巨型抽揉摩擦设备,使原本中性的云体不断分离出正、负电荷——雷暴云被充电了!

虽然,科学家们通过欧洲火星快车航天器收集了长达五年的庞大数据,并且,加利福尼亚的艾伦望远镜阵列也收集了三个月的数据,但是,在之后的研究中,尚不能在火星沙尘暴中找到闪电的无线电证据。

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于是,为了研究雷电在火星上罕见的原因,科学家们开始专注于研究沙尘暴可能产生的那种闪电。因为,在这些风暴中的沙粒和其他颗粒,都可以通过“摩擦电效应”而产生电荷,这与那些日常静电背后的效果相同。当两个物体反复碰撞、或是相互摩擦的时候,其中一种材料的表面可以从另一物体的表面,通过窃取电子而累积电荷。

左:云中不同形态的冰晶、雹粒子(图片来源:华盛顿大学云和气溶胶研究克课题组,见专着《Atmospheric
Science-An Introductory Survey》)

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右:水粒子碰撞和弹开形成电荷分离示意图(图片来源:Clive Saunders教授)

玄武岩的颗粒和闪电所需电荷有何关联

雷暴云在发展旺盛的过程中逐渐携带大量电荷,就像无处安放的愤怒,时刻等待着被释放,那些刮破天际的一道道闪光,是不同云层之间、或云与地之间电荷瞬间释放的桥梁。作为长距离、高电压、强电流的大气放电,雷电可产生很宽频段的强电磁辐射,覆盖无线电波、可见光乃至X射线和伽马射线频段。雷电通道的高温可达上万度,通道周围被瞬间加热膨胀的空气形成冲击波,发出轰隆隆的雷声。与此同时,雷暴中的上升气流也逐渐托持不住大量的冰、雪、雹等粒子,它们掉落并融化成雨滴,于是我们便看到了“地上雨水哗哗啦啦,天上闪电噼噼啪啪”的景象。少数情况下,过于强盛的对流使雹粒生长太大,掉落至地面的过程中甚至来不及融化,就是我们所见到的冰雹。

在这项新的研究中,科学家们的试验选用了玄武岩的颗粒,这是一种常见于火星地壳的黑暗火山岩。在此过程中,研究人员将实验室内的气压从0.03毫巴变为80毫巴。并且,在一块振动30分钟的平板上,放置约1至2毫米宽的球形颗粒,以产生摩擦电荷。科学家们从盘子中心的一个洞中,通过提取谷物的方式来测量它们的电荷水平。从火星最高火山峰的不到1毫巴,到红色星球深谷的10毫巴以上,火星的平均气压6毫巴。

延伸阅读:长期以来,雷暴云的起电机制是大气电学研究一大难题,以雷暴云内水成物粒子的碰撞、分离为核心的“粒子荷电机制”是目前学界认可度最高的主要起电机制,可进一步细分为“非感应起电机制”、“感应起电机制”(即在电场中被极化的不同粒子碰撞时,接触部分发生异性电荷中和,弹开后各自携带净余的正、负电荷)、“次生冰晶起电机制”等。已有观测所揭示的雷电活动与云内参量的关系,多支持这类起电机制在雷暴起电中的主导作用。

而在地球上,海平面的平均大气压则约为1000毫巴。Gerhard
Wurm是德国杜伊斯堡埃森大学的行星科学家,也是该研究的主要作者。他表示,在一般情况下,由于火星的大气压力,摩擦带电对砂粒大小的影响最小。所以,在低气压下,电荷很难积聚在玄武岩颗粒上。总而言之,火星气压下谷物上的电荷,至少比测试的最高压力小五倍,并且与地球上海平面的平均大气压相比仍然很小。

此外,学界对雷暴起电还提出过其他假说,例如如粒子的破碎、冻结、融化起电机制,以及与晴天大气电场中自由电荷有关的离子扩散、离子捕获机制等。

雷暴天气很“暴躁”,但也有益

可能你会觉得,云、雨、电的爱恨纠结,在雷电发生的那一刻就已尘埃落定,但不为人熟知的是,雷电对大气还有更影响深远的物理和化学作用。就全球大气而言,在天气晴的时候,电离层会往地球不断释放大气电流,持续消耗电离层的“电能”,而雷暴和雷电则是维持电离层电位的重要“发电机”,它们通过雷暴云起电和雷电给电离层充电。

对流层雷电还能在几十到上百公里高度的中层大气激发红色精灵等放电事件。中层大气放电事件,是由对流层雷电所引发的一种瞬态发光现象,一般发生于40-90
km高空,具有红色精灵(Red Sprite)、蓝色喷流、巨大喷流(gigantic
get)、淘气精灵、光晕等多种形式。红色精灵是最为常见的中层大气放电事件,通常由强度较大的正极性云对地闪电所诱发。对流层雷电引发的放电能改变这些区域的温度、电子密度等物理状态,并可能威胁在该区域的临近空间飞行器、浮浮艇等。与此同时,雷暴还是上部对流层大气的“制冷空调”,并输送水汽产生明显的加湿作用。此外,雷电击穿空气的过程中,高温高压下氮气和氧气被完全电离,并进一步形成氮氧化物LNOx,这种氧化物是大地农作物两好的“肥料物质”。所以,雷雨在灌溉大地的同时,还起到“施肥”的作用呢!而留在大气中的氮氧化物,则作为全球氮循环的一部分,对气候变化产生影响。

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上:雷暴、雷电作为全球大气电路发电机示意图(图片来源:Colin
Price教授讲义《The Global Atmospheric Electric Circuit》,

下:发生于对流层的雷电激发中层大气放电示意图(图片来源:Pasko, V. P.,
2003, Atmos. physics: Electric jets, Nature, 423, 927–929,
doi:10.1038/423927a)

随着研究的推进,人们对云、雨、电在雷暴云中交织的众多科学问题,正在逐步获得较为透彻的理解和认识,将雷电活动与雷暴天气系统不同参量之间的定量关系(包括动力学参量,如水平、垂直方向上的风向、风速及其变化;微物理参量,如冰、雪、雹、过冷水、雨滴等的生消演变和分布状态;降水量等),应用于数值模式中,既可以对强对流、雷暴天气进行预警,也可以对雷电的发生潜势等进行预报,从而提高对雷暴灾害天气的防御能力。

参考资料:

  1. 郄秀书, 张其林, 袁铁, 张廷龙 , 雷电物理学, 科学出版社, 北京.

  2. Rakov, V. A., & Uman, M. A. . Lightning: Physics and Effects.
    Cambridge University Press.

  3. Williams, E. R. , “The electrification of severe storms.” Severe
    Convective Storms. American Meteorological Society, Boston, MA.

  4. Pasko, V. P. , Atmos. physics: Electric jets, Nature, 423, 927–929,
    doi:10.1038/423927a.

  5. 美国国家宇航局NASA网站资料:《The Hidden Life of Thunderstorms》

  6. 讲义《The Global Atmospheric Electric Circuit》by Colin Price.

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