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2019-03-01電光石火的一瞬—追蹤毫秒內高空閃電的瞬息變化 591 期

Author 作者 郭政靈/任教於中央大學太空科學所,從事高空閃電研究。
從富蘭克林(Banjamin Franklin)利用風箏引電、研究雷暴中電的正負開始,到人類發明電晶體以電作為開關,形成現今生活中所使用的手機、平板及電腦等電子設備,自然科學研究往往是人類將對自然界未知現象的勇於追求,進而運用至人類日常生活裡的過程。閃電,是生活中最常經歷的科學事件,然而關於閃電,其實人們懂得並不多。在臺灣,除了大氣科學家,還有一群物理學家及太空科學家努力研究閃電,嘗試利用高速攝影機的畫面揭開高空閃電的神祕蹤跡。
 

高空閃電的精靈家族

高空閃電的精靈家族裡頭,有所謂的紅色精靈(red sprite)、精靈暈盤(halo)、淘氣精靈(elves)、藍色噴流(blue jet)、巨大噴流(gigantic jet)、伴隨閃電活動所產生的咖碼射線(gamma-rays)及沿著磁力線產生的電子-正子束(electron-positron beam)。它們發生在雲層頂之上,往往與閃電的有關,目前從觀測到事件所推算的高度大約在雲層頂15~100公里處,也就是地球大氣中對流層頂(troposphere pause)、平流層(stratosphere)、中間層(mesosphere)到電離層(ionosphere)的底部。高空閃電相關的照片見圖一。
 
圖一:高空閃電的各種精靈家族。(歐洲太空總署ESA, https://reurl.cc/06Lol。)

雷暴閃電之上是一個神祕的舞台,伴隨30年來科學家的發現,歸類為不同的形態及自然現象,與雲層內及下方的閃電截然不同。科學的發現往往在於偶然之間,而且需要花好幾十年的青春歲月去證實。從最早的科學紀錄開始,1989年美國明尼蘇達大學(University of Minnesota)的科學家法蘭茲(R.C. Franz)等人,在測試低光度黑白攝影機時,無意間拍到在雷暴上空有奇特的發光現象,並發表在Science,這才有了第一個正式的觀測記錄。而後,經過1、20年的觀測,發現除了紅色精靈外更多的高空閃電現象。
 

眼睛能夠觀察到多快的事件?

雖說閃電是每個人都經歷過的日常生活事件,但它有什麼值得研究之處呢?科學家除了利用雷聲與閃光時間差去估算閃電的距離外,其實閃電的過程很複雜,其複雜過程在短短幾百毫秒間就結束了,短到人們一直以為閃電只是從雷雨雲裡發出的閃光,或是雲底連接到地面的一道光。事實上,肉眼所看到的閃電是過程中時間較久的回擊現象,這之前還包含閃電的前導從雲內發展打通到地面的過程,還有回擊後的再回擊過程。如果從監視器或手機所拍攝的每秒30張或更快的畫面,可以發現這道回擊的光往往閃了好幾次。這也就表示,雷神索爾拿的雷神之槌所產生的雷電並非單發,而是如同機關槍連發的,其更能凸顯閃電對地面的威脅。

那麼究竟眼睛能夠觀察到多快的事件?以電視播放為例,畫面播放的時間設計至少短於視覺暫留的時間,1個電視畫面的速度為每秒30張圖片,即30fps(frames per second,每秒顯示幀數)。而視覺暫留的時間則為2個電視畫面的播放時間,為15fps,約為70毫秒。這也就是眼睛所看到短於視覺暫留時間內的閃電,發生好幾次閃光卻感受不到的原因。

 

高速攝影下的高空閃電

在鹿林天文台經過10幾年的觀測,記錄著無數高空閃電的倩影,去(2018)年利用高速攝影機所拍攝的紅色精靈,圖二為利用1000 fps所拍攝的紅色精靈影像,每幅照片為1毫秒(ms),時間順序為a~d,此類紅色精靈又有一個俗——水母精靈。通常會同時發生很多個紅色精靈,並且在紅色精靈下方形成交錯的觸手向下延伸,實際上它是由電漿流向下形成碎形交錯的圖案,並在反應劇烈處形成電漿球狀的結構,解讀成地面的球型閃電,但發生的機制及環境與地面的球型閃電完全不同,詳細的過程目前並不清楚。
 
圖二:利用高速攝影機所1000fps拍攝的紅色精靈,每幅照片為1 毫秒,(a)首先可以看見右上角的精靈暈盤;(b)整個紅色精靈的畫面;(c)下半部消散,並有豆狀的電漿團(sprite beans)形成;(d)留下豆狀的電漿團以及部分的結構。(觀測人員:陳沛羽、陳宇哲;資料分析:吳郁娟、楊哲明)
 
過去在科技部計畫經費的支持下,成功大學建置紅色精靈地面觀測,利用多站的三角測量成功解析巨大噴流的三維結構;中央大學方面,則使用自製光譜儀成功記錄紅色精靈的光譜,並利用高速攝影機將時間解析度終於進展到每秒5000張,也就是眨一次眼200毫秒的1∕1000時間,圖三所觀測到的紅色精靈首先出現精靈暈盤,精靈暈盤可從圖三a~c中觀察到是一道發亮的圓弧往下移動,將圖三a~c向下移動的圓弧連續曝光重疊在一起,可以對應到圖二a中碗狀的精靈暈盤,但圖二與圖三為不同事件。同時圖三c中圓弧中產生往下的電漿流,圖三d~f中向上以及向下產生電漿流,圖三f~j中向下的電漿流像是仙女棒產生的火苗往低處竄動,將所有往下的電漿流的亮光連續曝光重疊在一起,則會是類似於圖二b中紅色精靈中向下延伸的鬚根。因此,從更高時間解析度可觀察到紅色精靈細緻的動態變化結構。......【更多內容請閱讀科學月刊第591期】
 

圖三:利用高速攝影機5000 fps所拍攝的紅色精靈,每幅照片為0.2 毫秒,時間順序為檔案的英文順序。(a)~(c)的紅色框為精靈暈盤在每秒5000張解析中的動態變化,而(f)~(i)的紅色框為紅色精靈下半部的鬚狀在每秒5000張解析中的動態變化。(觀測人員:陳沛羽、陳宇哲;資料分析:吳郁娟、楊哲明)