神秘的上層大氣雷暴究竟有什麼？這款新檢測器告訴你

在地球上層大氣發生的雷暴對我們來說一直是個謎：科學家並不能夠直接用儀器觀測到；它們對探測氣球來說太高了，然而對氣象衛星來說又太低了。而冒險者又通常對在雷暴中飛行或在山頂露營等待雷暴此類行動興趣不大。

不過，一項在國際空間站上進行的研究即將解決這一尷尬。歐洲航天局（European Space Agency，ESA）的大氣空間相互作用檢測器（Atmosphere-Space Interactions Monitor， ASIM）由一系列光學鏡頭，光度計和一個裝在空間站外哥倫布實驗艙上的大型 X 和 γ 射線探測器組成。在最少兩年內，它將持續觀測雷暴在高層大氣（平流層和中間層）到電離層（空間的邊緣）形成的放電現象。這一觀測設備將使得研究雷暴和它們對地球大氣和氣候的影響成為可能。

由於諸多優勢，空間站將是這項研究的一個理想的觀測平台：

1）它的近地軌道目前在高度上是人類活動最接近高層大氣現象的位置。

2）而這個軌道在地理上又能夠完全覆蓋熱帶和亞熱帶地區： 儘管此前這些地區有著最強烈的雷暴，科學家卻很難開展觀測活動。

3）最後，在空間站上能夠觀測到原本在陸地觀測會被大氣吸收部分的光，從而使觀測更完整。

高層大氣放電被稱為瞬態發光現象（TLEs），包括一系列名字源於童話故事的多彩現象：精靈（sprites），淘氣精靈（elves） 和 巨人（giants）。

其中，「精靈」（Sprites）是中間層被擊穿造成的閃光。「藍色噴流」是通過平流層向上的放電。「淘氣精靈」（elves， abbr. Emissions of Light and Very Low Frequency Perturbations from Electromagnetic Pulse Sources，電磁脈衝源造成的甚低頻擾動與發光現象，由氮氣分子激發造成）則是從電離層底部邊緣的電磁脈衝引發的向外發散的同心環。「巨人」（Giants）是從雷暴頂部到電離層底部的大型擊穿放電現象。地球伽馬射線閃（terrestrial Gamma Ray Flashes，TGFs）是一種在雷暴頂部產生的閃光現象。已有證據表明，這些現象中一些是由逃逸的電子放電造成。

圖丨由雷暴導致的高層大氣現象。（來源: DTU Space）

20 世紀 20 年代， 英國科學家威爾森（C.T.R. Wilson） 因為研發了能夠觀測宇宙射線和 X 射線電離輻射的雲室（cloud chamber）而獲得諾貝爾物理學獎。他當時預測，放電現象能在雷暴上方的大氣中間層發生。而雷暴的電場可以加速常規電子為相對論電子（當電子速度接近光速， 此時狹義相對論影響顯現）。由於設備靈敏度不夠，這一預測直到 1993 年 NASA 的康普頓伽馬射線天文台觀測到雷暴上方 X 射線閃光時才有定論。

在 1990 年，對精靈（sprite）的觀測被第一次記錄下來。此後，科學家們在地面和空中觀測過程中均發現了大量的雷暴上方的放電現象，而低軌航天器也觀測到了 X 和伽馬射線輻射。

圖丨在空間站上看到藍色噴流向上放電 30 km 到達平流層（來源: DTU Space, ESA, NASA）

ASIM 對這些超高海拔、地面難測的現象進行了全面的測量，來確定他們的物理原理以及與閃電的關係。研究也涉及了高空雲的形成過程，並確定了雷暴擾動高層大氣的原因。它增進了我們對雷暴對地球大氣影響的認識，並且有助於改進大氣模型和氣象氣候預測。

丹麥科技大學國家空間研究所的首席研究員 Torsten Neubert 說：「從高空觀測能夠讓我們在研究這些現象時避開雲的遮擋。在 ASIM 的幫助下，我們能夠更好的理解高層大氣閃電形成的複雜過程。這也是普通閃電形成過程的一部分。儘管兩種閃電有著不同的外在形式。」

研究也有助於探明雷暴對大氣、電離層和輻射帶的影響，並且能夠監測進入地球大氣的流星和他們對大氣的影響。比如，在雷暴雲頂部的藍色噴流會改變溫室氣體的濃度，這是雷暴改變平流層的另一種方式。

「通過這個研究，我們還可以了解雷暴雲和平流層中間層的細微結構，此前我們對這些所知甚少。」Neubert 表示。 基於 2015 年 ESA 宇航員 Andreas Mogensen 在空間站上拍攝的視頻， 科學家已經對造成此類大氣活動的雲的類型掌握了更多信息，並發現這些閃電源自距地面 17 千米高度的雲。 「這些是對頂層雷暴雲活躍程度的第一個可靠科研記錄」Neubert 補充道。

ASIM 的觀測也幫助我們更好理解了沙塵暴、城市污染物、森林火災和火山對雲的形成和充電的影響，以及暴風眼的閃電活動與雷暴強度的關係。