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成像技術發展正不斷帶來新發現

2019-12-18 09:58:17  來源:新浪科技

北京時間12月18日消息,據國外媒體報道, 2017年10月22日,積聚在美國中部上空的風暴云釋放出一道巨大的閃電,照亮了德克薩斯州、俄克拉荷馬州和堪薩斯州的天空。這次震動橫貫這三個州超過500公里,規模之大前所未有。一組研究人員寫了一份關于這次閃電的研究報告,將其形容為“巨閃”(megaflash)。這是有史以來最長的閃電之一。

一般來說,正常的閃電長度在1到20公里之間,但隨著測繪技術越來越先進,一些真正巨大的閃電逐漸進入我們的視線。最近的一些發現提出了一個有趣的問題:閃電的規模究竟能達到多大?我們應該擔心這些大氣中的“重量級選手”嗎?

當強正電荷在雷暴云的一個區域發展,而強負電荷在另一個區域發展時,它們之間就會產生電流,進而產生閃電。美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的物理學家和高級研究員唐·麥克戈曼(Don MacGorman)參與了2017年“巨閃”研究報告的撰寫,他說:“閃電是在一個電力非常強的地方產生的。它們變得足夠強大,以至于空氣再也承受不住電的力量,進而被分解。”

這意味著,隨著電壓的增長,局部空氣的絕緣能力被破壞。研究人員認為,這是由于過量的電磁力開始加速空氣中的自由電子(沒有附著在原子或分子上的電子),使其他電子從原子和分子中脫離出來。麥克戈曼說:“科學家稱這個過程為電子雪崩,這就是我們所說的空氣分解。”

這一過程最終會在空氣中形成一個非常熱的通道,就像一根電線,其兩端向外延伸,通往導致“電子雪崩”的正電荷和負電荷。最終,這條通道將正電荷和負電荷連接起來,此時就會觸發巨大的電流,我們稱之為閃電。

麥克戈曼說:“可以把它想象成一個巨大的火花,從云里冒出來。”有時,通常包含正電荷的云層較低區域,其自身沒有足夠的電荷來阻止通道。于是,閃電持續增長,向下延伸到地面。當發生這種情況的時候,會觸發一道擁有巨大電流的閃電,將雷暴云的一部分電荷傳輸到地面。當我們想到閃電時,大多數人通常會想到這些云地之間的通道,叉狀的閃電猛烈地擊向地表。

但是,是什么因素限制了這些巨型閃電的規模呢?

幾十年來,研究人員一直試圖回答這個問題。在垂直方向上,閃電的范圍受到風暴云高度的限制,也就是從地面到云層頂點的距離——最高約為20公里。但是在水平方向上,一個更廣闊的云系統提供了更大的空間。

早在1956年,一位名為邁倫·利達(Myron Ligda)的氣象學家就證明了這一點,他用雷達探測到當時有記錄以來最長的閃電——跨度長達100公里。

然后,在2007年,研究人員打破了記錄,在俄克拉荷馬州發現了一道長達321公里的閃電。麥克戈曼和同事們最近的研究又超越了這一數字。據研究人員計算,他們發現的這道“巨閃”發出了異常強烈的閃光,照亮了67845平方公里的地面。然而,即使是這樣的閃電也被后來的發現超越了。在近期發表于《地球物理研究期刊:大氣》(JGR atmosphere)的一項研究中,科學家描述了一次跨越673公里的閃電。

這樣的巨型閃電十分罕見,但現在我們有了探測它們的技術,可以更頻繁地發現它們。科學家已經不僅僅依靠使用天線和雷達的地基系統,而是開始從更加有利的位置——人造衛星——來觀察閃電。最近兩次破紀錄的閃電都是通過名為“地球同步閃電成像儀”(Geostationary Lightning Mapper)的技術進行測量的。在環繞地球的兩顆衛星上都安裝了這種傳感器,能提供其下方地球風暴系統的大范圍圖像。

麥克戈曼說:“這個系統可以對云層頂部發出的光做出反應,因此我們可以看到閃電發出的光,然后繪制它的地圖,幾乎可以覆蓋整個半球。”

高分辨率的衛星圖像結合地面“閃電成像陣列”(Lightning Mapping Array)的數據,為我們顯示了2017年10月那次閃電的巨大范圍。

然而,我們仍然不知道這些巨大的電子光源是如何增長到如此之長的。研究人員認為,云的大小是一個因素,因為云系統越大,就越有可能發生閃電。麥克戈曼補充道,巨型閃電的形成還需要一定的“中尺度過程,即大規模的氣流,使該系統能夠結合在一起,持續很長一段時間”。

那么,在這些巨型云所搭建的舞臺上,閃電內部到底發生了什么呢?英國曼徹斯特大學研究雷暴起電現象的克里斯多夫·埃莫西奇(Christopher Emersic)說:“這些超級大雷暴看起來就像是連續不斷的放電。”

他假設,如果一個云系統在一大片區域內高度帶電,那么一系列的放電就會像一排倒下的多米諾骨牌一樣穿過這一區域。“如果多米諾骨牌之間都沒有太大的間隙,一個觸發另一個,形成一連串的骨牌倒塌。另一方面,如果觸發‘失敗’,在這種情況下,你只能看到一次更小型的空間閃電事件,而不是一次巨閃。”

母云越大,放電繼續傳播的機會就越多。埃莫西奇說:“因此在原理上,如果電荷結構有利,巨閃云可以和母云一樣大。”

這也意味著可能存在比目前已觀察到的更大的閃電。麥克戈曼說:“風暴可以比我們所測量的那些更大。”換句話說,我們仍然不知道最大的閃電到底有多大。

盡管超級閃電很切合世界末日的景象,但它們并不一定比普通閃電更危險,“空間上跨度很廣的閃電并不一定意味著攜帶更多的能量,”埃莫西奇解釋道。此外,由于產生巨型閃電的云系統是如此龐大,因此很難預測它們。

“這樣的事件經常會導致遠離對流中心閃電活躍區域的地方受到地面雷擊,”埃莫西奇說,“地面上的人可能以為風暴已經過去,但卻被一場似乎不知從何而來、在空間上非常廣闊的放電給嚇了一跳。”

埃莫西奇表示,在全球變暖的背景下,引發超級閃電的風暴類型也有可能增加,“因此,間接地,合適的條件更有可能形成,從而使它們發生的頻率增加。”

不過,就目前而言,超級閃電并不常見。麥克戈曼估計,它們只占閃電總量的1%。不過,也許在不久的將來,像他這樣的研究人員就可能會發現更加驚人的巨型閃電,讓人們對大自然的造化驚嘆不已。

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