科學家正致力於解開「紅色精靈」(red sprites)、「綠色幽靈」( green ghosts)與「藍色噴流」(blue jets)等出現在雷雨雲層上空的奇特現象之謎。
2025年4月,美國奧克拉荷馬州(Oklahoma)上空的雷雨雲層中出現了「紅色精靈」,這是一種出現在高層大氣的「瞬態發光事件」Photograph by Paul Smith
我們的大氣層就像個巨大的電路系統:雷雨是為這個系統充電的電池,而閃電則是在其中流動的電流。地面上的我們所看到的閃電劈落或雲層深處發光,其實就是這個電路的運作痕跡。不過,在雲層之上還藏著一座秘密的「電氣動物園」,其中棲息著「紅色精靈」(sprites)、「淘氣精靈」(elves)和「噴流」(jets)等奇特光影。
這些童話般的名稱,其實是描述在地球高層大氣中,雷雨期間短暫出現的「瞬態發光事件」(Transient Luminous Event,簡稱TLE)。「瞬態發光事件是種既秘又美麗的現象,和我們熟悉的閃電截然不同,但它們在短暫的一瞬間,連結了氣象、太空與電力的運作機制。這些光影發生在雲層上方的高空,幾乎悄然無聲,多半也難以肉眼察覺,但它們反映了雷雨雲中正在發生的強大過程。」在中國科學技術大學研究瞬態發光事件的博士生黃海亮(Hailiang Huang)如此解釋。
1989年,科學家首次用相機捕捉到這些現象,記錄下在天空中一閃即逝的紅色閃光。這些影像後來被命名為「紅色精靈」,靈感來自莎士比亞(Shakespeare)《仲夏夜之夢》(Midsummer Night’s Dream)中的角色。隨著研究進展,科學家陸續發現其他類型的瞬態發光事件,並為它們取了更多童話般的名字。直到今日,科學界仍在試圖了解這些奇特的現象──它們如何形成?出現頻率有多高?又能透露多少有關地球大氣的秘密?
紅色精靈是目前研究者與攝影師最常觀測到的瞬態發光事件,這張照片攝於2024年12月的密西西比州(Mississippi)。Photograph by Paul Smith
攝影師於2023年6月在堪薩斯州(Kansas)拍攝到紅色精靈閃電,有人形容它們像是紅蘿蔔或水母。Photograph by Paul Smith
究竟什麼是紅色精靈?
就像有人熱衷於追逐龍捲風,也有攝影師專門追拍紅色精靈與其他瞬態發光事件,搜尋那些夜間雷雨雲上難得一見的絕美瞬間。
在歐洲外海與美國大平原上空都曾觀測到紅色精靈。但據《大氣科學進展》(Advances in Atmospheric Science)期刊的最新研究指出,2022年,天文攝影師安傑爾.安(Angel An)與董書暢(Shuchang Dong)在南亞的一場雷雨中拍攝到105次紅色精靈,創下單一雷暴中觀測到最多紅色精靈的紀錄。
「紅色精靈是最具代表性的瞬態發光事件。」這篇研究的第一作者黃海亮表示。
這些在空中瞬間閃現的紅色光絲,如同細長的樹根般分岔延展。這種現象是由「正閃電」擊中地面所引發,產生的電場一路向上延伸至距地表約50到90公里的大氣高層。
位於喜馬拉雅山脈北側的青藏高原,雷雨活動相當頻繁。劇烈的地形起伏導致大氣強烈對流,加上濕潤空氣翻騰上升,經常形成雲層,使這裡成為研究瞬態發光事件的絕佳天然實驗室。然而,直到2022年安傑爾與董書暢拍攝到的雷暴影像出現前,當地從未正式記錄過任何瞬態發光事件。
黃海亮與其合作者──中國科學技術大學的大氣物理學家陸高鵬(Gaopeng Lu)──共同開發出一種方法,能夠將安傑爾與董書暢在青藏高原拍攝的影片與照片進行同步比對。研究團隊運用衛星數據與夜空星圖,精確校對每一幅畫面的時間點,最終成功將約七成的紅色精靈影像,對應到觸發它們的閃電事件。
對黃海亮而言,這項成果凸顯了業餘觀測在科學研究中的價值。「這個領域最令人興奮之處,在於它能促成專業科學家與熱情業餘觀察者攜手合作,共同探索這些短暫卻深具意義的自然現象。」
攝影師不僅捕捉到大量的紅色精靈,當時這場高原上的雷雨還伴隨出現了更為罕見的瞬態發光事件──「噴流」與「幽靈」。研究團隊辨識出16次「次級噴流」(secondary jets),那是向上竄射至高空、通常呈現藍色或紫色的強烈光柱,另外還發現至少4次「幽靈」現象,這是種綠色的朦朧光暈,有時會懸浮在紅色精靈的上方。
「儘管紅色精靈與其他瞬態發光事件在高空中看來幽微無聲,實際上它們往往與強烈、甚至具毀滅性的天氣系統息息相關,」黃海亮表示:「研究這些現象,不僅能滿足我們對高層大氣的好奇心,也有助於我們更深入了解地球上的風暴。」
瞬態發光事件資料庫
瞬態發光事件的類型會因發生高度、閃電類型,以及當地大氣的化學成分而有所差異,但各種類型的具體成因至今仍未完全釐清。自2022年起,美國航太總署(NASA)啟動名為「Spritacular」(名稱結合紅色精靈 sprite 與壯觀現象spectacular 二字)的觀測計畫,試圖記錄各種瞬態發光事件,並廣泛徵集來自全球數百位業餘觀察者的觀測資料。
「我發現全球有許多民眾拍攝到驚人的瞬態發光事件影像,卻只零星散見於網路上,科學界多半無從得知。」這項計畫的主持人、美國航太總署戈達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)大氣物理學家布爾居.柯薩爾(Burcu Kosar)說。「Spritacular計畫因此誕生,希望能縮短彼此之間的距離,打造全球第一個由群眾共同建立的瞬態發光事件資料庫,搭建起大眾與科學界的橋樑。」
美國大平原與中西部地區的雷雨雲上空,曾多次出現瞬態發光事件。這張照片攝於2020年6月19日的堪薩斯州(Kansas)。Photograph by Paul Smith
這個平臺邀請全球民眾上傳他們拍攝到的瞬態發光事件影像,目前已從近900位來自二十多個國家的使用者,蒐集到超過700件投稿。參與者也能協助分類資料庫中的影像,辨識來自其他使用者或國際太空站( International Space Station)拍攝的紅色精靈影像。
Spritacular 計畫的目標,是建立一套多樣且龐大的瞬態發光事件資料庫,因為過往的觀測紀錄大多只是零星案例。若能累積夠多的觀測資料,柯薩爾與她的團隊就能開始從中找出潛在的規律與趨勢,並進一步研究如「幽靈」、「噴流」等更罕見的瞬態發光事件。
研究地球上的瞬態發光事件,也有助於我們探索其他行星上的大氣現象。美國航太總署的「朱諾號」(Juno)任務資料顯示,木星的大氣層中也可能出現紅色精靈與一種稱為「淘氣精靈」(elves)的神祕光環。
由於瞬態發光事件本身極為短暫、難以捕捉,柯薩爾與她的合作者──匈牙利地球物理與太空科學研究所(Institute of Earth Physics and Space Science)的瞬態發光事件專家約瑟夫.博爾(József Bór)──都認為,Spritacular 計畫最大的優勢就在於來自社群的參與和貢獻。「我認為,正是這股社群的力量,讓 Spritacular 在瞬態發光事件研究中展現出驚人的影響力。」博爾說。
氣候變遷對瞬態發光事件的影響
這項仰賴公眾參與的研究計畫,也有望協助解答一個重要的科學問題:氣候變遷是否會影響紅色精靈等瞬態發光事件的發生頻率?
「由氣候變遷引起的全球升溫,將影響雷暴的強度與頻率,進而導致閃電活動增加,而這些都是瞬態發光事件的前兆,」柯薩爾指出:「雖然相關機制仍在研究中,但瞬態發光事件研究未來有望成為追蹤大氣變化的重要工具。」
中國的研究團隊也正與氣候科學家與太空物理學者合作,探討氣候變遷如何影響瞬態發光事件在的全球分布。對黃海亮而言,這是個令人振奮的研究領域:「感覺就像是在探索大氣層的未知前沿。每一次觀測,都像是從太空邊緣捕捉到一道罕見而短暫的訊號──既令人震撼,也富含物理意義。」
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