新研究揭开直射80公里高空的“巨大喷流”之谜

2022年08月12日 13:46 次阅读 稿源:新浪科技 条评论

科学家对美国俄克拉荷马州的一次大规模雷暴开展了详细的3D研究后,进一步了解了一种名为“巨大喷流”的独特大气现象。作为目前为止研究过的最为强劲的巨大喷流,此次雷暴释放的电荷高度达到了80公里,且电荷数量多达普通闪电的100倍。

据估计,此次巨大喷流将大约300库伦的电荷从雷暴转移到了地球电离层中(太空的最底端)。而一般的闪电在云层或地面之间、或者云层内部携带的电荷还不到5库伦。向上的放电还包括温度相对较低(约200摄氏度)的等离子体流。不过,其中的“先导”部分温度极高,超过4400摄氏度。

“我们利用高质量数据、绘制了此次巨大喷流的3D路线图。”佐治亚理工学院研究科学家、此次发表论文的通讯作者利瓦伊·博格斯表示,“我们也首次成功观察到了云层上方的甚高频源。利用卫星和雷达数据,我们找到了炽热的放电先导部分在云层上方的具体位置。”

博格斯与多个机构合作开展了此次研究,包括美国大学空间研究协会、德州理工大学、新罕布什尔大学、西班牙加泰罗尼亚理工大学、杜克大学、俄克拉荷马大学、美国国家海洋和大气管理局国家严重风暴实验室、以及洛斯阿拉莫斯国家实验室。研究结果于8月3日发表在了多学科开源期刊《科学进展》上。

杜克大学电气与计算机工程教授斯蒂夫·康莫则利用闪电释放的电磁波研究了这一现象。在他管理的研究基地,若干传感器在空地上组合成类似传统天线的序列,负责接收当地雷暴发出的信号。

“甚高频及光学信号证实了研究人员之前的猜测:闪电发出的甚高频射电信号来自正在形成的闪电尖端处的“流光”(streamers)结构,闪电中最强的一股电流紧接其后,沿着名为‘先导’的导电通道流动。”

该论文的共同作者、大学空间研究协会成员道格·马赫指出,此次研究的独特之处在于,其确定了闪电发射光线的三维位置就位于云层顶部上方。

“好几个系统都检测到了此次巨大喷流,包括闪电绘图阵列、以及两台地球同步光学闪电检测仪,这是一起绝无仅有的事件,也为我们提供了更多有关巨大喷流的信息。”马赫指出,“更重要的是,这大概是巨大喷流在云层以上的部分首次利用地球同步闪电绘图仪器组完成三维路径绘制。”

过去20年间,科学家虽一直在对巨大喷流开展观测和研究,但由于缺少专用的观察系统,真正探测到的巨大喷流寥寥无几。博格斯还是从一名同事那里了解到俄克拉荷马州的这起雷暴的。这名同事告诉他,2018年5月14号那天,一位民间科学家用一台低照度照相机拍下了一道巨大喷流。

巧合的是,这起事件的发生地附近刚好就有一套甚高频闪电绘图系统,并且在两座新一代气象雷达探测范围以内,还能被美国国家海洋和大气管理局地球静止轨道环境业务卫星(GOES)上的仪器检测到。博格斯认为这些系统收集的数据都用得上,于是与同事一起将它们收集过来、用于开展分析。

“这些详细数据显示,那些温度较低的流光的确是从云层顶端上方开始扩散的。”博格斯解释道,“它们一直向上延伸到海拔80至96公里处的低层电离层,在云端和低层电离层之间建立起直接的电流连接。”

这种连接能够在短短一秒内传输成千上万安培的电流。向上的放电过程会将负电荷从云端转移到电离层中,这也是巨大喷流的典型现象。

数据显示,在云端向上放电的过程中,海拔22至45公里之间都探测到了甚高频射电信号源,而闪电先导部分释放的光学信号则一直停留在高度15至20公里的云端附近。同一时间获取的3D射电与光学数据说明,甚高频闪电探测网络监测到的信号来自流光电晕、而非先导通道,这一发现的影响已不仅限于巨大喷流,对整个闪电物理学的研究都具有重要意义。

巨大喷流为何会向太空中发射电荷呢?研究人员猜测,也许有什么东西阻挡了电荷向下运动、或向其它云团运动。俄克拉荷马州雷暴的数据记录显示,在巨大喷流形成前,此次暴风雨几乎没有产生任何闪电活动。

“不知出于什么原因,从云层到地面的放电过程总会受到抑制,”博格斯指出,“负电荷会越积越多,但风暴顶部的条件可能使最顶端的电荷层(通常为正电荷)遭到削弱。如果不像我们通常见到的闪电那样放电,巨大喷流也许就会在云层中将过多的负电荷释放出去。”

目前关于巨大喷流还有许多未解之谜,因为我们观察到的巨大喷流可谓少之又少,能碰上纯靠运气,有时会被飞机上的飞行员或乘客看见,有时则由地面上的观测者用夜视照相机捕捉到。

据估计,巨大喷流的发生频率从每年1千次到5万次不等,并且在热带地区的报告更多。不过,俄克拉荷马州并非热带地区,此次巨大喷流的强度却高达第二名的两倍。

博格斯指出,巨大喷流可能会对近地轨道上卫星的运行产生一定影响。随着越来越多的设备进入太空,信号衰减和性能问题可能会变得越加显著。巨大喷流还可能影响到其它技术手段,比如超视距雷达,因为其信号是经由电离层进行反射的。

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