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精靈煙花。安久、董書(shū)暢/攝2022年5月19日深夜，青藏高原普莫雍錯(cuò)湖畔，星空攝影師安久和董書(shū)暢的鏡頭捕捉到一場(chǎng)罕見(jiàn)的“天象秀”——上百道紅色光柱從云頂直沖太空，如煙花般在高空綻放。他們拍攝到的是被稱為“紅色精靈”的中高層大氣放電現(xiàn)象，科學(xué)家形象地稱之為地球大氣層的“閃電煙花”。此次拍到的“紅色精靈”從何而來(lái)？將對(duì)臨近空間氣象產(chǎn)生哪些影響？近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸高鵬團(tuán)隊(duì)在《大氣科學(xué)進(jìn)展》發(fā)表研究成果，確定了兩段觀測(cè)視頻中“紅色精靈”的發(fā)生時(shí)間及誘發(fā)它們的母體閃電。審稿專家高度評(píng)價(jià)了該研究方法的創(chuàng)新性，認(rèn)為“這一方法為眾多公民、科學(xué)家參與科學(xué)觀測(cè)提供了可靠的校時(shí)手段”。從“偶然發(fā)現(xiàn)”到科學(xué)突破“紅色精靈”最早在1886年被預(yù)言，直到1989年7月6日，時(shí)任美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)物理學(xué)教授John R. Winckler利用一臺(tái)低光度攝影機(jī)記錄了一道夜空中跳躍的火焰，才揭開(kāi)它的神秘面紗。陸高鵬解釋說(shuō)，“紅色精靈”這種中高層大氣中的放電現(xiàn)象，是由雷暴強(qiáng)烈的放電活動(dòng)引發(fā)的。這些現(xiàn)象在稀薄的大氣中發(fā)生，與低層大氣中的閃電不同，它們可以在持續(xù)的電場(chǎng)作用下加速并擊穿空氣，形成壯觀的放電現(xiàn)象?！斑@種現(xiàn)象在地球的中高層大氣中很少出現(xiàn)，因?yàn)樗鼈冃枰囟l件才能發(fā)生?！标懜啭i說(shuō)。這次的“紅色精靈”源于2022年5月19日深夜南亞地區(qū)的一個(gè)對(duì)流云團(tuán)。對(duì)流云團(tuán)非常濃密，激發(fā)了大量雷暴活動(dòng)。在攝影師拍攝的3個(gè)多小時(shí)里，“紅色精靈”非常密集，每隔一兩分鐘就會(huì)出現(xiàn)一次。不僅有四五個(gè)“紅色精靈”同框的時(shí)刻，還出現(xiàn)了巨大噴流。長(zhǎng)期以來(lái)，“紅色精靈”研究集中于北美大平原等雷暴高發(fā)區(qū)，在這種認(rèn)知框架下，南亞地區(qū)并不是具備強(qiáng)雷暴發(fā)展條件的典型區(qū)域。然而，此次發(fā)現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)認(rèn)知?！按蠹艺J(rèn)為丘陵地貌不利于大尺度雷暴系統(tǒng)的形成，因?yàn)閷?duì)氣流的切割作用會(huì)引起能量分散。平原則能夠有效維持氣流的水平輸送與能量聚集，從而更易形成大規(guī)模雷暴系統(tǒng)?！标懜啭i說(shuō)。陸高鵬團(tuán)隊(duì)分析發(fā)現(xiàn)，本次“紅色精靈”母體閃電主要為大峰值電流的正極性地閃，發(fā)生在從恒河平原延伸至青藏高原南麓的中尺度對(duì)流復(fù)合體層狀云降水區(qū)?！斑@次研究觀測(cè)記錄了南亞單次雷暴過(guò)程中最多的精靈閃電，表明該地區(qū)雷暴具備與美國(guó)大平原和歐洲近海雷暴相似的中高層放電能力，甚至能夠孕育出更復(fù)雜的放電形態(tài)，它們產(chǎn)生的物理化學(xué)效應(yīng)對(duì)圈層耦合可能有重要影響。”陸高鵬說(shuō)。當(dāng)愛(ài)好者成為“精靈捕手”這次攝影師拍攝到了上百個(gè)“紅色精靈”，其中不少是躍動(dòng)的“舞蹈精靈”，還有罕見(jiàn)的“次生噴流”，以及亞洲首例夜間電離層底部綠色發(fā)光現(xiàn)象“鬼火精靈”。這些豐富的記錄，為陸高鵬團(tuán)隊(duì)的后續(xù)研究提供了完整素材。不過(guò)，獲取視頻后，團(tuán)隊(duì)遇到了一個(gè)難題——普通相機(jī)沒(méi)有精準(zhǔn)的時(shí)間標(biāo)記，加之相機(jī)沒(méi)有放平，對(duì)于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析十分不利。對(duì)此，團(tuán)隊(duì)提出基于衛(wèi)星軌跡與星場(chǎng)推斷視頻時(shí)間的方法。通過(guò)分析照片中的衛(wèi)星軌跡和恒星位置，將愛(ài)好者拍攝的無(wú)時(shí)間標(biāo)記視頻精確校準(zhǔn)至毫秒級(jí)，實(shí)現(xiàn)了“紅色精靈”與母體閃電的精準(zhǔn)匹配?！拔覀兿喈?dāng)于用星空當(dāng)鐘表重建了閃電事件的時(shí)間坐標(biāo)系?！标懜啭i表示。他告訴記者，研究中超過(guò)80%的觀測(cè)數(shù)據(jù)都是由民間攝影愛(ài)好者提供的。他們?cè)谝粋€(gè)名為“精靈閃電觀測(cè)”的微信群里分享拍攝到的影像，構(gòu)成了科研團(tuán)隊(duì)的“分布式觀測(cè)網(wǎng)”。同時(shí)，陸高鵬在科研中不僅進(jìn)行了雷電知識(shí)科學(xué)普及，還探索出一條特色路徑，將公眾的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為科研資產(chǎn)。攝影師憑借此次拍攝的作品獲得英國(guó)格林尼治皇家天文臺(tái)主辦的2023年度天文攝影師大賽星野組世界冠軍。這一作品不僅展現(xiàn)了精靈放電的壯觀，也進(jìn)一步引發(fā)了公眾對(duì)極端天氣現(xiàn)象的關(guān)注。促進(jìn)臨近空間氣象發(fā)展“紅色精靈”不僅是壯麗的自然奇觀，還可能對(duì)中高層大氣化學(xué)環(huán)境產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，為應(yīng)對(duì)氣候變化、保障航天安全提供全新視角?！拔覀冴P(guān)注的不僅僅是這些現(xiàn)象本身，還在于它們對(duì)大氣環(huán)境的影響，以及與極端天氣事件產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)。”陸高鵬說(shuō)。陸高鵬解釋說(shuō)，中高層大氣放電會(huì)產(chǎn)生臭氧，而臭氧在平流層中有益，但在對(duì)流層中有害。研究團(tuán)隊(duì)正在探索這些現(xiàn)象是否會(huì)導(dǎo)致局域性氣候效應(yīng)，甚至可能引發(fā)災(zāi)害性天氣?！拔覀兿Ｍㄟ^(guò)研究這些現(xiàn)象，為氣象預(yù)測(cè)和氣候研究提供新視角?！贝送猓凹t色精靈”等中高層大氣放電現(xiàn)象還會(huì)影響臨近空間氣象環(huán)境。伴隨新一代航空器、浮空器和亞軌道航天器等的發(fā)展，臨近空間正在成為開(kāi)展高技術(shù)應(yīng)用和國(guó)防安全活動(dòng)的新領(lǐng)域，運(yùn)載火箭、人造衛(wèi)星、載人飛船等航天器以及導(dǎo)彈武器的研究、試驗(yàn)和應(yīng)用，都需要臨近空間氣象保障。陸高鵬告訴記者，臨近空間觀測(cè)一直是科學(xué)界難題，“浮空氣球飛不上去、衛(wèi)星沉不下來(lái)”使得50至80公里高度上的地球大氣成為人類觀測(cè)的盲區(qū)。因此，除了原位測(cè)量方法，陸高鵬團(tuán)隊(duì)還提出“光電遙感”解決方案——利用“紅色精靈”的光譜特征，反演高空大氣成分。他們還計(jì)劃協(xié)同安徽省內(nèi)其他高校在長(zhǎng)江沿岸建成聯(lián)合觀測(cè)站，利用天文望遠(yuǎn)鏡與氣象雷達(dá)協(xié)同觀測(cè)，捕捉“紅色精靈”引發(fā)的氮氧化物波動(dòng)信號(hào)?！拔覀兿Ｍㄟ^(guò)光電遙感技術(shù)，突破觀測(cè)盲區(qū)，更好地理解臨近空間的物理和化學(xué)過(guò)程。”陸高鵬說(shuō)。相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1007/s00376-024-4143-5（原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》?2025-05-21?第4版?綜合）