中高层大气放电

历史

早在20世纪20年代，苏格兰物理学家查尔斯·威耳逊就曾预言过，在雷雨云之上的高层大气中也会出现放电现象^[1]。但一直到1989年7月6日，明尼苏达大学的科学家才取得直接的观察证据。几年后，这种现象被阿拉斯加大学的科学家命名为“精靈”，以避免其他名称对当时所知不多的这种现象可能产生的误解。术语“紅色精靈”和“藍色噴流”在1994年的航拍实验影片播放后才为公众所熟知^[2]。

紅色精靈

紅色精靈的第一张彩色照片

紅色精靈（Red sprites），又名紅閃或紅電光閃靈，是一种发生在积雨云之上的大规模放电现象，其大小形态变化很大。这种现象是由云层与地面间的正闪电引起的^[3]。紅色精靈通常呈红橙色，下部为卷须状，上部则有弧形枝状结构，有时其顶端还会出现淡红光晕^[4]。该现象通常成簇发生在离地面30～90公里的高空。紅色精靈在1989年7月6日首次被明尼苏达大学的科学家拍摄下来，其后在世界各地都观察到了这种现象^[5]。紅色精靈被认为是很多高海拔飞行器无端故障的元凶^[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]。

喷流

蓝色喷流

蓝色喷流（Blue jets）通常呈细锥形，从积雨云的顶端一直延伸到离地面40～50公里的电离层。不像红色精灵，蓝色喷流并非直接由闪电引起（但它们似乎与雷暴中的强冰雹现象有关）^[8]。它们比红色精灵要亮。其蓝色可能是来自氮气分子的发射光谱。蓝色喷流在1989年10月21日由一艘经过澳大利亚上空的航天飞机初次观测到。至2007年为止，学界只有不到100张关于蓝色喷流的照片。这些照片绝大多数都是在1994年阿拉斯加大学对红色精灵的一次研究中拍摄的^[9]。

蓝色启辉器

蓝色启辉器（Blue starters）初次发现在一段研究雷暴的夜间飞行记录的影片中^[10]，它被描述成“一种与蓝色喷流紧密相关的上行发光现象。^[11]”它们要比一般的蓝色喷流更亮但却更短，长度通常不足20公里^[12]。宾夕法尼亚州立大学的电机工程教授维克多·P·帕斯科（Victor P. Pasko）解釋道：“蓝色启辉器似乎是未能成型的蓝色喷流。^[13]”

巨大喷流

巨大噴流（Gigantic jet），或名巨型噴流，是一類更爲罕見的喷流現象。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个长达70公里的巨大喷流——比一般喷流的两倍还要长^[16]。该喷流发生在海洋上空一块积雨云的顶部，持续了不到一秒。喷流开始时像普通喷流般以50000米每秒的速度上行，其后突然分成两股并加速到約160000至250000米每秒，在到达电离层後消散。研究者當時僅將這一噴流稱爲“发生在雷暴云顶和低电离层之间的放电”^[17]。

2002年7月22日，成功大學物理系教授蘇漢宗等人在南中国海呂宋島附近观察到了5个长度在60～70公里之间的喷流^[18]^[19]，並首次明确地将这类放电称为巨大喷流^[17]。这些喷流只持续了不到一秒，研究者將其形状比作大树与胡萝卜。

2010年8月12日，中國科學家杨静、冯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]。

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極低頻率輻射

淘氣精靈（ELVES）是一种直径可達500公里左右的暗淡平缓的閃光現象，通常只能持续一毫秒^[20]。它们通常发生在离积雨云100公里高的电离层中。它们的颜色一直成谜，现在一般相信是红色。極低頻率輻射在1990年10月7日法属圭亚那的一次航天任务中首次被观测到。

“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]，电磁脉冲源造成的甚低频扰动与发光现象）。此名称闡述了发光的原理：电子碰撞导致的氮气分子激发（电子可能通过雷暴产生的电磁脉冲获能）。