囧rz.....Desperado.....冏rz: 高空閃電

紅色精靈(Red Sprites)、藍色噴流(Bule Jet)和ELVES(Emmision of Light and Very Low Frequency Perturvations From Electro-magnetic Pulse Sources)皆是伴隨著雷雨所產生的高空大氣放電現象。近一個世紀以來，有許許多多來自於飛行員、地面觀察者的報告，皆說明有奇怪的、如閃電般的閃光自雲端向上射出。由於此一現象發生於高空且持續的時間極短(約幾十個微秒)，難以取得直接的證據，以至科學界無法作系統化的分析。直到1989年(R. D. Franz, R. J. Nemzek and J. R. Winckler, 1990)終於以低光度的攝影機拍攝到這種高空大氣放電的現象。在1990年初，太空梭上的攝影機也拍到20多幅相關的影像。從此之後藉由攝影機的幫助，從不同的觀測源如太空梭、高空飛機及地面觀測站等等拍攝到成千上萬的紅色精靈的影像。藉由這些觀測到的現象，我們了解到這種閃電般的放電效應不止局限在較低的大氣層，甚至在高於雷雲上方90公里處的高空中亦可能發生。

這些高空大氣放電現象可以用圖1 來加以分類

▲圖1(摘自 sprite.gi.alaska.edu)

紅色精靈 (back to top)

▲圖2 (摘自 sprite.gi.alaska.edu)

如上圖所示，『紅色精靈』是一種由雲對地正極放電(positive cloud-to-ground lightning strokes)，在高於雲層頂的高空中所引起的巨大紅色閃光。這一現象首先由Minnesota大學的教授們以攝影機紀錄下來(R. D. Franz, R. J. Nemzek and J. R. Winckler, 1990)，從此之後，許多的研究團體對這種奇特的現象感到興趣，並設法提出這種自然現象背後的可能機制，成為一個熱門的研究課題。藉由美國太空總署的研究噴射機之協助，第一個彩色『紅色精靈』的照片是由阿拉斯加大學的紅色精靈研究團隊(sprites research team)於1996年所攝得。

『紅色精靈』是近年來所發現數種由閃電所引起的於中高空所發生的現象之一，其可能的成因如下：

A	B	C
▲圖3 (摘自 Scientific American)

一般閃電是從帶著負電荷的雲層底部下落至地表(如圖3A所示)，有時強力的雷擊突然使得雲層頂端積蓄大量的正電荷，因此強大的電場在電離層(Ionospere)和雲層頂產生 (如圖3B中所示，漸層色代表電場)。因此，可能引發由雲層頂端(帶正電荷)至地面的正極放電(positive cloud-to-ground discharge)，並吸引著電子向上移動。在移動的過程中會和氣體分子碰撞，如果產生的電場夠強而且周圍的空氣夠稀薄，電子可以達到所謂的激發狀態(excited state)。這些受激狀態的氣體分子藉由放射出光子的方式(發光)來排出剛吸受的能量(如圖3C所示)，理論上，這種現象發生於50至90公里的高空中。

這種現象有許多是人眼可見的，但長久以來並不為人們所知，究其原因在於本來在高空中就存在一些閃電現象，因此上述的現象並不會特別引起科學家們的注意。如眾所週知，高空閃電現象源自高空大氣的氣體分子受到來自太陽光的紫外線的撞擊，使得一些電子脫離原有分子，此一過程產生了一層圍繞地球的電離層，此為環繞地球的導電層。因此，不止有雷雲和地表之間存在有電位差，雷雲和電離層間也可以存在很大的電位差。在這個強大的電位差的驅策之下，理論上為絕綠體的空氣會被打穿，因此，可以在雷雲和地表或雷雲和電離層間建構出可以傳遞大量電流的通路，這就是所謂的閃電現象。

但由於隨著高度愈來愈高，空氣的密度愈來愈低，由於空氣分子稀少，在極高空所發產的放電現象，其顏色並不像在地面上常見的閃電一般，只有約為人眼可見的紅色光茫。因此，科學家必須使用高感度的攝影機才可以在黑暗的天空中紀錄到這種高空閃電的現象。這種微弱的亮度和短暫的持續時間造成研究上的極大挑戰，即使如此，在經短短幾年的研究之後已有重大的成就。

藍色噴流 (back to top)

『藍色噴流』(Blue Jet) 是一種局限在低於40公里大氣層中的一種現象，並且較難觀測，圖4所示的是藍色噴流的彩色照片。由照片中可以看出噴流放出深藍色的光茫，這種光線無法輕易的穿過厚重的大氣層底部，因此要觀測這種現象必須要位於底部大氣層之上。

◤圖4 (摘自 Scientific American)

1994年Sentman 和 Wescott第一次記錄到『藍色噴流』這種怪異的現象，他們是藉由飛機在高空中飛越強烈的風暴之上，由高靈敏度的照像機所拍得(如圖5)。由這些照片可以得知這種光以秒速120公里自雲層頂端向上噴出，目前研究學者們正致力於找出可完整的解釋其成因的理論。

A	B
C	D
▲圖5 (摘自 Scientific American)

ELVES (back to top)

ELVES 就如同紅色精靈一樣是一種由電場強度異常的閃電所引起，發生在高空的現象，它呈現出一種火紅色、扁平的形狀。由強烈閃電所放出的電磁脈衝 (electromagnatic pulse)會產生ELVS。本質上，這種強烈的電波是以閃電為中心，以光速傳遞的電波(如圖6所示)。當這個電磁脈衝的向上傳遞的部分(圓殼部分)達到大氣中的臨界高度(約為75至100公里)時，本身所帶的電場有效率對電子加速，這些加速後的電子會撞擊空氣分子並將其提昇至可以發光的激發狀態。這種機制產生了以球殼和臨界層之交點為軸心，向外擴張的光環。這個交會區擴張的很快，因此，擴張的光環表現出如扁平盤子的形狀。

▲圖6 (摘自 Scientific American)

▲圖 7 為 Stephen B. Mende 所拍攝到ELVS的照片。
(摘自 Scientific American)

ELVES和紅色精靈同時發生，但比較快消失。由以下所攝得的連續照片可以了解其發生的時序。(A)當在閃電發生之前，天空是一片黑暗。(B)閃電由雲端產生，在同一時間亦在中氣層(mesosphere)的高空中引起扁平的ELVS。(C)一瞬間，紅色精靈自此一部分的大氣中噴出。(D)最後，ELVS消失只剩下紅色精靈。