调查触及太空边缘的逆向闪电 _太空

调查触及太空边缘的逆向闪电
（）据cnBeta：CNET报道，2018年5月14日暴风雨期间在俄克拉荷马州上空形成了巨大喷流。与其说是用锯齿状的闪电散布在地球上，不如说是为这场风暴提供动力的浓密云层将一道闪电向上喷出50英里，足以擦过电离层或太空的边缘。这种猛烈的、逆向的电力爆发很快就会被列为自然界最神秘的大气现象之一：一个巨大喷流。
巨大喷流只是与普通闪电一起诞生的发光光束，但指向相反的方向。但它们比朝下的对应物强得多，有时甚至威胁到漂浮在我们星球轨道上的太空飞行器或其他技术。而这个特定的是令人难以置信的强烈。它被认为是迄今为止所研究的同类事件中最强大的，估计携带了300库仑的电荷，比典型的闪电所携带的电荷多100倍。
在过去的20年里，科学家们已经确定了几种这种奇怪的力量，但其中许多目击事件是公众意外捕捉到的。
例如，一架从印度巴德拉克上空经过的飞机拍摄到了一条紫色条纹，另一个是在中国石坑崆海拔1902米的山顶附近用夜间相机拍摄到的。2013年，美国宇航局在国际空间站上增加了一个实验，以帮助更好地、更积极地观察云顶上方的场景，以便我们能够捕捉到巨大喷流的行动。尽管如此，科学界仍然没有很多为搜索而定制的观测系统。
这就是为什么俄克拉荷马州2018年的事件是偶然的。碰巧的是，这一极端事件发生在该州一堆相关的科学仪器附近，如卫星网络和检测所谓的"极高频信号"的闪电测绘系统。该地区的一位公民科学家甚至用弱光相机拍下了它。因此，根据所有这些线索，一组科学家收集了尽可能多的关于这架飞机的数据，试图对四年前发生在俄克拉荷马州天空中的事情进行详细描述。
佐治亚理工学院的研究科学家、8月3日发表在《科学进展》杂志上的一篇关于该结构的论文的作者Levi Boggs在一份新闻稿中说：“我们能够用真正高质量的数据对这个巨大喷流进行三维绘图。”
这样的三维结构在寻求解码巨大喷流的过程中非常重要，因为它们从云层中升起意味着它们经常被遮挡在视野之外。Boggs说：“我们能够看到云顶之上的非常高的频率源，这在以前是没有看到过的，而且是如此的详细。而这些甚高频信号提供了一个关于巨大喷流的信息‘金矿’ 。”
基本上，从雷雨云中发出的闪电是由引线和流线的组合产生的。引线是电荷差异的结果，有助于发展闪电，而流线则是在这些发展中的闪电的最顶端。这些力量共同作用于传播来自暴风云内部的电流，但引线通常构成了放电的主体。
新研究的研究人员首先明确地看到，在俄克拉荷马州的事件中，巨大喷流产生的引线和流线位于雷暴云的上方，而不是在它们通常被发现的底部。其次，“无线电和光学数据显示了第一个明确的证据，即闪电网络观察到的VHF是由首领前面的流线产生的，”研究作者写道。
“那些冷流在云顶上方开始传播， ”Boggs解释说。“它们一直传播到低电离层，高度为50-60英里，在云顶和低电离层之间建立了直接的电气连接。”
除此之外，研究小组还剖析了许多其他有趣的巨大喷流电荷动态，甚至对这些奇怪的光束为什么会喷出的一个可能的解释做出了定论。“不管是什么原因，通常会有一个云对地放电的抑制， ”Boggs说。“在没有我们通常看到的闪电放电的情况下，巨大喷流可能缓解了云中多余的负电荷的积聚。”
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（）据cnBeta：New Atlas报道，虽然雷暴可以为地面上的观众带来“相当精彩的表演” ，但最精彩的部分往往发生在云层之上。科学家们现在详细描述了有史以来观察到的最强大的“巨大喷流”闪电，它将相当于60道普通闪电的能量喷向太空。
顾名思义，“巨大喷流”是从风暴云中抛出的强大的电能爆发--不是抛向地面，而是抛向电离层。它们属于越来越多的瞬时事件，在风暴期间发生在高层大气中，而且由于这个高度，更难观察到它们。因此，它们究竟是如何发生的，以及为什么会发生，大部分都是未知的。
现在，科学家们比以往任何时候都更详细地研究了这些巨大喷流之一。这一事件发生在2018年5月俄克拉荷马州上空的一场风暴中，它同时被几种仪器捕获，包括地面的闪电绘图阵列、空间的地球静止闪电绘图仪（GLM）和地球静止轨道环境业务卫星(GOES)网络，以及一位公民科学家用弱光相机拍摄的照片。
有了对同一事件的如此多的不同看法，一个科学家小组能够比以往更详细地研究这一现象。事实证明，这个特殊的巨大喷流是迄今为止看到的最强大的喷流，向上抛出了大约300库仑的电荷。作为比较，一道正常的闪电通常在5库仑左右达到顶峰。
不同类型的电磁波从喷流内的不同结构中发射出来。科学家们在22至45公里的高空检测到了甚高频（VHF）无线电源，而光学发射仍然更接近喷气的云顶，在15至20公里的高空。这揭示了许多关于巨大喷流的结构，以及一般的闪电。
该研究的作者Steve Cummer说：“甚高频和光学信号明确证实了研究人员曾经怀疑但尚未证实的事实：来自闪电的甚高频无线电是由称为流线的小结构发出的，这些流线位于发展中的闪电的最顶端，而最强的电流在这个顶端后面的导电通道中明显流动，其被称为引线。”
研究发现，流线的温度相对较低，约为204°C，而引线的温度可以达到超过4425°C的极高温度。但是，关于这些巨大的喷流仍有许多未知之处，其中最重要的是它们为什么向上发射。这就是说，科学家们有他们的理论。
该研究的通讯作者Levi Boggs说：“无论出于什么原因，通常会有一个云对地放电的抑制。有一个负电荷的积聚，然后我们认为风暴顶部的条件削弱了最上层的电荷层，而这层电荷通常是正的。在没有我们通常看到的闪电放电的情况下，巨大的喷流可能缓解了云中多余的负电荷的积聚。”
研究人员认为需要做进一步的工作，以阐明更多关于闪电之谜的信息。这项研究发表在《科学进展》杂志上。该团队在下面的视频中介绍了这些数据。
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（）据新浪科技：科学家对美国俄克拉荷马州的一次大规模雷暴开展了详细的3D研究后，进一步了解了一种名为“巨大喷流”的独特大气现象。作为目前为止研究过的最为强劲的巨大喷流，此次雷暴释放的电荷高度达到了80公里，且电荷数量多达普通闪电的100倍。
据估计，此次巨大喷流将大约300库伦的电荷从雷暴转移到了地球电离层中（太空的最底端）。而一般的闪电在云层或地面之间、或者云层内部携带的电荷还不到5库伦。向上的放电还包括温度相对较低（约200摄氏度）的等离子体流。不过，其中的“先导”部分温度极高，超过4400摄氏度。
“我们利用高质量数据、绘制了此次巨大喷流的3D路线图。”佐治亚理工学院研究科学家、此次发表论文的通讯作者利瓦伊·博格斯表示，“我们也首次成功观察到了云层上方的甚高频源。利用卫星和雷达数据，我们找到了炽热的放电先导部分在云层上方的具体位置。”
博格斯与多个机构合作开展了此次研究，包括美国大学空间研究协会、德州理工大学、新罕布什尔大学、西班牙加泰罗尼亚理工大学、杜克大学、俄克拉荷马大学、美国国家海洋和大气管理局国家严重风暴实验室、以及洛斯阿拉莫斯国家实验室。研究结果于8月3日发表在了多学科开源期刊《科学进展》上。
杜克大学电气与计算机工程教授斯蒂夫·康莫则利用闪电释放的电磁波研究了这一现象。在他管理的研究基地，若干传感器在空地上组合成类似传统天线的序列，负责接收当地雷暴发出的信号。
“甚高频及光学信号证实了研究人员之前的猜测：闪电发出的甚高频射电信号来自正在形成的闪电尖端处的“流光”（streamers）结构，闪电中最强的一股电流紧接其后，沿着名为‘先导’的导电通道流动。”
该论文的共同作者、大学空间研究协会成员道格·马赫指出，此次研究的独特之处在于，其确定了闪电发射光线的三维位置就位于云层顶部上方。
“好几个系统都检测到了此次巨大喷流，包括闪电绘图阵列、以及两台地球同步光学闪电检测仪，这是一起绝无仅有的事件，也为我们提供了更多有关巨大喷流的信息。”马赫指出，“更重要的是，这大概是巨大喷流在云层以上的部分首次利用地球同步闪电绘图仪器组完成三维路径绘制。”
过去20年间，科学家虽一直在对巨大喷流开展观测和研究，但由于缺少专用的观察系统，真正探测到的巨大喷流寥寥无几。博格斯还是从一名同事那里了解到俄克拉荷马州的这起雷暴的。这名同事告诉他，2018年5月14号那天，一位民间科学家用一台低照度照相机拍下了一道巨大喷流。
巧合的是，这起事件的发生地附近刚好就有一套甚高频闪电绘图系统，并且在两座新一代气象雷达探测范围以内，还能被美国国家海洋和大气管理局地球静止轨道环境业务卫星（GOES）上的仪器检测到。博格斯认为这些系统收集的数据都用得上，于是与同事一起将它们收集过来、用于开展分析。
“这些详细数据显示，那些温度较低的流光的确是从云层顶端上方开始扩散的。”博格斯解释道，“它们一直向上延伸到海拔80至96公里处的低层电离层，在云端和低层电离层之间建立起直接的电流连接。”
这种连接能够在短短一秒内传输成千上万安培的电流。向上的放电过程会将负电荷从云端转移到电离层中，这也是巨大喷流的典型现象。
数据显示，在云端向上放电的过程中，海拔22至45公里之间都探测到了甚高频射电信号源，而闪电先导部分释放的光学信号则一直停留在高度15至20公里的云端附近。同一时间获取的3D射电与光学数据说明，甚高频闪电探测网络监测到的信号来自流光电晕、而非先导通道，这一发现的影响已不仅限于巨大喷流，对整个闪电物理学的研究都具有重要意义。
巨大喷流为何会向太空中发射电荷呢？研究人员猜测，也许有什么东西阻挡了电荷向下运动、或向其它云团运动。俄克拉荷马州雷暴的数据记录显示，在巨大喷流形成前，此次暴风雨几乎没有产生任何闪电活动。
“不知出于什么原因，从云层到地面的放电过程总会受到抑制，”博格斯指出，“负电荷会越积越多，但风暴顶部的条件可能使最顶端的电荷层（通常为正电荷）遭到削弱。如果不像我们通常见到的闪电那样放电，巨大喷流也许就会在云层中将过多的负电荷释放出去。”
目前关于巨大喷流还有许多未解之谜，因为我们观察到的巨大喷流可谓少之又少，能碰上纯靠运气，有时会被飞机上的飞行员或乘客看见，有时则由地面上的观测者用夜视照相机捕捉到。
据估计，巨大喷流的发生频率从每年1千次到5万次不等，并且在热带地区的报告更多。不过，俄克拉荷马州并非热带地区，此次巨大喷流的强度却高达第二名的两倍。
博格斯指出，巨大喷流可能会对近地轨道上卫星的运行产生一定影响。随着越来越多的设备进入太空，信号衰减和性能问题可能会变得越加显著。巨大喷流还可能影响到其它技术手段，比如超视距雷达，因为其信号是经由电离层进行反射的。