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中高層大氣放電

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高層大氣放電圖示

中高層大氣放電或中高層大氣閃電指的是一系列發生在中高層大氣的特殊放電現象。因為這種放電現象與對流層閃電較爲不同，所以它們又被稱為瞬態發光事件（TLEs，Transient Luminous Events）。TLEs包括紅色精靈，藍色噴流，巨大噴流以及淘氣精靈。

歷史

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早在20世紀20年代，蘇格蘭物理學家查爾斯·威耳遜就曾預言過，在雷雨雲之上的高層大氣中也會出現放電現象[1]。但一直到1989年7月6日，明尼蘇達大學的科學家才取得直接的觀察證據。幾年後，這種現象被阿拉斯加大學的科學家命名為「精靈」，以避免其他名稱對當時所知不多的這種現象可能產生的誤解。術語「紅色精靈」和「藍色噴流」在1994年的航拍實驗影片播放後才為公眾所熟知[2]。

紅色精靈

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紅色精靈的第一張彩色照片
主條目：紅色精靈

紅色精靈（Red sprites），又名紅閃或紅電光閃靈，是一種發生在積雨雲之上的大規模放電現象，其大小形態變化很大。這種現象是由雲層與地面間的正閃電引起的[3]。紅色精靈通常呈紅橙色，下部為卷鬚狀，上部則有弧形枝狀結構，有時其頂端還會出現淡紅光暈[4]。該現象通常成簇發生在離地面30～90公里的高空。紅色精靈在1989年7月6日首次被明尼蘇達大學的科學家拍攝下來，其後在世界各地都觀察到了這種現象[5]。紅色精靈被認為是很多高海拔飛行器無端故障的元兇[6]。

精靈一名來自莎士比亞劇作中出現的精靈（如《暴風雨》中的愛麗兒與《仲夏夜之夢》中的帕克）[7]。

噴流

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藍色噴流

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NASA拍攝的藍色噴流

藍色噴流（Blue jets）通常呈細錐形，從積雨雲的頂端一直延伸到離地面40～50公里的電離層。不像紅色精靈，藍色噴流並非直接由閃電引起（但它們似乎與雷暴中的強冰雹現象有關）[8]。它們比紅色精靈要亮。其藍色可能是來自氮氣分子的發射光譜。藍色噴流在1989年10月21日由一艘經過澳大利亞上空的穿梭機初次觀測到。至2007年為止，學界只有不到100張關於藍色噴流的照片。這些照片絕大多數都是在1994年阿拉斯加大學對紅色精靈的一次研究中拍攝的[9]。

藍色啟動器

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藍色啟動器（Blue starters）初次發現在一段研究雷暴的夜間飛行記錄的影片中[10]，它被描述成「一種與藍色噴流緊密相關的上行發光現象。[11]」它們要比一般的藍色噴流更亮但卻更短，長度通常不足20公里[12]。賓夕法尼亞州立大學的電機工程教授維克多·P·帕斯科（Victor P. Pasko）解釋道：「藍色啟動器似乎是未能成型的藍色噴流。[13]」

巨大噴流

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巨大噴流（Gigantic jet），或名巨型噴流，是一類更爲罕見的噴流現象。福爾摩沙衛星二號升空後截至2012年11月30日共觀測到淘氣精靈21837例，紅色精靈1945例，藍色噴流3799例，而巨大噴流僅有92例[14][15]。

2001年9月14日，帕斯科等人在阿雷西博天文台拍下了一個長達70公里的巨大噴流——比一般噴流的兩倍還要長[16]。該噴流發生在海洋上空一塊積雨雲的頂部，持續了不到一秒。噴流開始時像普通噴流般以50000米每秒的速度上行，其後突然分成兩股並加速到約160000至250000米每秒，在到達電離層後消散。研究者當時僅將這一噴流稱爲「發生在雷暴雲頂和低電離層之間的放電」[17]。

2002年7月22日，成功大學物理系教授蘇漢宗等人在南中國海呂宋島附近觀察到了5個長度在60～70公里之間的噴流[18][19]，並首次明確地將這類放電稱為巨大噴流[17]。這些噴流只持續了不到一秒，研究者將其形狀比作大樹與胡蘿蔔。

2010年8月12日，中國科學家楊靜、馮桂力等人在黃海附近雷暴上方觀測到了一例巨大噴流，噴流的放電頂端距離地面約89公里[17]。

極低頻率輻射

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淘氣精靈（ELVES）是一種直徑可達500公里左右的暗淡平緩的閃光現象，通常只能持續一毫秒[20]。它們通常發生在離積雨雲100公里高的電離層中。它們的顏色一直成謎，現在一般相信是紅色。極低頻率輻射在1990年10月7日法屬圭亞那的一次航天任務中首次被觀測到。

「淘氣精靈」得名於其英文縮寫ELVES（Emissions of Light and Very Low Frequency Perturbations from Electromagnetic Pulse Sources[21]，電磁脈衝源造成的甚低頻擾動與發光現象）。此名稱闡述了發光的原理：電子碰撞導致的氮氣分子激發（電子可能通過雷暴產生的電磁脈衝獲能）。

圖庫

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參見

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參考資料

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  1. ^ Earle R. Williams. Sprites, Elves, and Glow Discharge Tubes. [2009-11-29]. （原始內容存檔於2008-10-11）. 
  2. ^ Red Sprites & Blue Jets - 1994 video （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）.
  3. ^ Boccippio, D. J.; et al. Sprites, ELF Transients, and Positive Ground Strokes. Science. 1995年8月, 269: 1088–1091. PMID 17755531. doi:10.1126/science.269.5227.1088. 
  4. ^ Sterling D. Allen - Pure Energy Systems News. BLAM-O!! Power from Lightning. Pure Energy Systems. 2005 [September 24, 2007]. （原始內容存檔於2007年10月19日）. 
  5. ^ Walter A. Lyons and Michey D. Schmidt (2003). P1.39 The Discovery of Red Sprites as an Opportunity For Informal Science Education. （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） American Meteorological Society. Retrieved on 2009-02-18.
  6. ^ STRATOCAT - Stratospheric balloons history and present. Full report on the uncontrolled free fall of a stratospheric balloon payload provoked by a Sprite. [2009-11-29]. （原始內容存檔於2009-06-21）. 
  7. ^ Friedman, John. Out of the Blue: A History of Lightning. 紐約: 蘭登書屋. 2008: 128 [2015-09-17]. ISBN 978-0385341165. （原始內容存檔於2021-03-03）. Dr. Davis Sentman of the University of Alaska, one of the few scientists studying these luminous, ghostlike phenomena [i.e., sprites], named the eerie flashes of colored lights after Shakespeare's mischievous spirits of the air — Ariel in The Tempest and Puck in A Midsummer Night's Dream. 
  8. ^ Fractal Models of Blue Jets, Blue Starters Show Similarity, Differences to Red Sprites. [2009-11-29]. （原始內容存檔於2017-02-13）. 
  9. ^ 'Red Sprites & Blue Jets - the video'[1] （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, 'Blue Jets & Blue Starters - the video'[2] （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）.
  10. ^ Examples may be seen in the clip 'Blue Jets & Blue Starters - the video' [3] （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）.
  11. ^ THE ROLE OF THE SPACE SHUTTLE VIDEOTAPES IN THE DISCOVERY OF SPRITES, JETS AND ELVES. [2009-11-29]. （原始內容存檔於2008-05-16）. 
  12. ^ Blue jets. [2009-11-29]. （原始內容存檔於2008-05-11）. 
  13. ^ Fractal models of blue jets, blue starters show similarity, differences to red sprites. [2009-11-29]. （原始內容存檔於2012-06-30）. 
  14. ^ Chen, Alfred B.; Kuo, Cheng-Ling; Lee, Yi-Jen; Su, Han-Tzong; Hsu, Rue-Ron; Chern, Jyh-Long; Frey, Harald U.; Mende, Stephen B.; Takahashi, Yukihiro; Fukunishi, Hiroshi; Chang, Yeou-Shin; Liu, Tie-Yue; Lee, Lou-Chuang. Global distributions and occurrence rates of transient luminous events. J. Geophys. Res. 2008, 113. doi:10.1029/2008JA013101. 
  15. ^ 福衛二號「高空大氣閃電影像儀」簡介. [2015-09-18]. （原始內容存檔於2015-08-20）. 
  16. ^ Pasko, Victor P.; Stanley, Mark A.; Mathews, John D.; Inan, Umran S.; Woods, Troy G. Electrical discharge from a thundercloud top to the lower ionosphere. Nature. 2002, 416 (6877): 152 – 154 [2009-11-30]. （原始內容存檔於2017-01-28）. 
  17. ^ 17.0 17.1 17.2 楊, 靜; 馮, 桂力. 中国大陆地区雷暴上方的巨大喷流. 科學通報. 2012, 57 (34): 3301–3311 [2015-09-17]. （原始內容存檔於2016-03-04）. 
  18. ^ Su, H. T.; Hsu, R. R.; Chen, A. B.; Wang, Y. C.; Hsiao, W. S.; Lai, W. C.; Lee, L. C.; Sato, M.; Fukunishi, H. Gigantic jets between a thundercloud and the ionosphere (PDF). Nature. 2003, 423 (6943): 974 [2009-11-29]. （原始內容 (PDF)存檔於2007-07-02）. 
  19. ^ Giant jets caught on camera. [2009-11-29]. （原始內容存檔於2011-05-19）. 
  20. ^ Elves: Ionospheric Heating By the Electromagnetic Pulses from Lightning. [2009-11-29]. （原始內容存檔於2020-06-13）. 
  21. ^ The Free Dictionary - ELVES. [2009-11-29]. （原始內容存檔於2012-05-27）. 

外部連結

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