撰文：MAYA WEI-HAAS
在這張電腦合成的照片中，一場(chǎng)雷暴出現(xiàn)在巴西南部和烏拉圭上空。這張圖片中的閃電長(zhǎng)約260公里，大約是最新報(bào)道破紀(jì)錄的閃電長(zhǎng)度的三分之一。
圖：MICHAEL PETERSON，LOS ALAMOS NATIONAL LABORATORY
一天晚上，Michael Peterson在工作期間發(fā)現(xiàn)眼前出現(xiàn)了一只巨大的蜘蛛。不過(guò)，作為洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室遙感科學(xué)家，Peterson知道這并不是一只八足動(dòng)物。實(shí)際上，出現(xiàn)在屏幕上的是所謂的巨型蜘蛛閃電——一個(gè)復(fù)雜的閃電網(wǎng)，在陰霾的天空中綿延數(shù)百公里。
“我簡(jiǎn)直驚呆了，”他說(shuō)。
這張地圖展示了衛(wèi)星數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的最大閃電。該閃電的足跡遍及美國(guó)多個(gè)州，覆蓋面積達(dá)11.4萬(wàn)平方公里。底部的條形圖顯示了單個(gè)閃電的能量和大小隨時(shí)間的變化情況。
經(jīng)過(guò)分析，他發(fā)現(xiàn)了兩道破紀(jì)錄的閃電，分別在閃電長(zhǎng)度和持續(xù)時(shí)間上創(chuàng)下了記錄。其中一道閃電穿越巴西上空，從頭到尾全長(zhǎng)672公里，比堪薩斯州還長(zhǎng)。第二道閃電在美國(guó)中部上空持續(xù)了13.5秒。第三道閃電出現(xiàn)在美國(guó)南部上空，覆蓋面積達(dá)11.4萬(wàn)平方公里，與俄亥俄州面積相當(dāng)。（官方數(shù)據(jù)沒(méi)有記錄覆蓋面積最大的閃電，因此無(wú)法確定該閃電是否創(chuàng)下了紀(jì)錄。）
Peterson說(shuō)，之前的閃電記錄“對(duì)我們有關(guān)閃電的典型觀點(diǎn)提出了質(zhì)疑”。不過(guò)，這些最新的超級(jí)閃電“實(shí)際上正在進(jìn)一步推動(dòng)科學(xué)家對(duì)閃電的認(rèn)識(shí)?！?/p>
更重要的是，此次對(duì)如此大規(guī)模閃電的識(shí)別，突顯了美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局最新氣象衛(wèi)星GOES-16和GOES-17的巨大威力。這些數(shù)據(jù)是Peterson最新的自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的試驗(yàn)場(chǎng)，該系統(tǒng)最近發(fā)表在《地球物理研究大氣雜志》上，對(duì)從太空傳回的最復(fù)雜的閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。
這些天空中的“眼睛”不僅能幫助我們更好地研究氣象災(zāi)害，還能幫助我們了解長(zhǎng)期天氣模式，從而促進(jìn)研究人員對(duì)風(fēng)暴演變與氣候變化之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)。
“閃電科學(xué)是相對(duì)較新的研究領(lǐng)域，基本上我們能做的就是盡可能快地利用儀器進(jìn)行探測(cè)。” 美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局國(guó)家強(qiáng)烈風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)研究員Kristin Calhoun說(shuō)，她沒(méi)有參與這項(xiàng)新研究。這些衛(wèi)星收集的數(shù)據(jù)將會(huì)“給我們提供一個(gè)機(jī)會(huì)，讓我們得以用之前從未見(jiàn)過(guò)的方式研究閃電?！?/p>
閃電解剖
最新研究中發(fā)現(xiàn)的閃電是所謂的蜘蛛閃電。雖然你可能認(rèn)為閃電主要以垂直方式運(yùn)動(dòng)，但蜘蛛閃電卻是以水平方式在云層中移動(dòng)。
蜘蛛閃電往往形成于大型復(fù)雜風(fēng)暴系統(tǒng)的滯后地帶。這類(lèi)事件的形成原因是大氣不穩(wěn)定，通常當(dāng)溫暖潮濕的空氣與涼爽干燥的空氣碰撞后，將溫暖的空氣抬升到高空中。
當(dāng)空氣上升時(shí)，溫度驟降，導(dǎo)致水滴凝結(jié)，最終形成冰碎片。所有的冰碎片、水滴和半融的冰都相互爭(zhēng)奪搶位置。這會(huì)導(dǎo)致其中一些物體帶正電荷，另一些帶負(fù)電荷，所有帶電物體都聚集于系統(tǒng)的不同區(qū)域。這樣的分離使云“帶電”，為閃電發(fā)生做好準(zhǔn)備。
在上升的云層中，結(jié)冰的微粒非常密集，也就意味著碰撞會(huì)很頻繁，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)以垂直閃電的方式快速地充電放電。不過(guò)，離不穩(wěn)定區(qū)域較遠(yuǎn)的是一個(gè)更穩(wěn)定的區(qū)域，又被稱(chēng)為層狀云區(qū)。在層狀云區(qū)，電荷在更廣闊的區(qū)域內(nèi)緩慢聚積。這就意味著當(dāng)閃電最終劃過(guò)天空時(shí)，會(huì)變得非常巨大。
Calhoun在描述最新研究中記錄的一次閃電時(shí)，驚嘆道：“這次閃電利用了從德克薩斯州東部一直到阿肯色州南部的電荷，總共持續(xù)了10秒鐘?！?/p>
數(shù)據(jù)過(guò)載
為了進(jìn)行新的分析，Peterson使用了GOES-16和GOES-17衛(wèi)星2018年在美洲各地收集的數(shù)據(jù)，GOES-16和GOES-17衛(wèi)星的運(yùn)行軌道距離地面35400公里。這兩顆衛(wèi)星位于所謂的地球靜止軌道上，意味著它們與地球自轉(zhuǎn)完全同步，以至于從地球表面看，它們就像是在天空中靜止不動(dòng)一樣。這兩顆衛(wèi)星都配備了地球靜止軌道閃電成像儀，實(shí)際上就是一部高級(jí)視頻攝像機(jī)，以每秒550幀的頻率在非常狹窄的頻率范圍內(nèi)記錄光子。
這兩顆衛(wèi)星持續(xù)監(jiān)視著從澳大利亞?wèn)|部到非洲西海岸的近半個(gè)地球，提供了前所未有的大量關(guān)于地球的信息。僅在2018年，該系統(tǒng)就記錄了美洲各地約3.6億次閃電，將數(shù)據(jù)傳回給可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的地面處理器。盡管如此，該系統(tǒng)并不完美。
“最大的挑戰(zhàn)同時(shí)也是最大的優(yōu)點(diǎn)，就是數(shù)據(jù)量太大?！?Peterson說(shuō)。
由于數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)傳送，有時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可能無(wú)法處理過(guò)于復(fù)雜的閃電。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)算法會(huì)將閃電分割成一系列的簡(jiǎn)要說(shuō)明數(shù)據(jù)。之后，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)會(huì)將分段的閃電標(biāo)記為降級(jí)數(shù)據(jù)，因此許多研究人員在分析過(guò)程中會(huì)將其舍棄。
2018年，大約有4%的數(shù)據(jù)屬于這種情況，相當(dāng)于1440萬(wàn)起閃電事件。或者就像Peterson說(shuō)的那樣，“基本上被丟棄的閃電與上一代衛(wèi)星整個(gè)任務(wù)期間發(fā)現(xiàn)的閃電一樣多?！?/p>
Peterson的自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理方法將分割的閃電片段重新拼接起來(lái)。結(jié)果就是發(fā)現(xiàn)了極其復(fù)雜的蜘蛛閃電。
雖然他發(fā)現(xiàn)的破紀(jì)錄閃電仍需要聯(lián)合國(guó)世界氣象組織的官方認(rèn)證，但這兩道閃電基本上都是過(guò)去紀(jì)錄的兩倍左右。2007年，一道長(zhǎng)達(dá)320公里的閃電劃過(guò)俄克拉荷馬州的上空；2012年，一道持續(xù)7.74秒的閃電照亮了法國(guó)南部的天空。
未來(lái)展望
美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局強(qiáng)烈風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室的物理科學(xué)家Edward Mansell說(shuō)：“初看起來(lái)，研究者真正發(fā)現(xiàn)了實(shí)際數(shù)據(jù)流中沒(méi)有完全體現(xiàn)出來(lái)的規(guī)律，真的很令我印象深刻?！?/p>
Calhoun對(duì)此表示贊同，他指出，最新的研究充分表明風(fēng)暴多么活躍。不過(guò)，她也警告說(shuō)，判斷閃電是單個(gè)發(fā)生的，還是連續(xù)發(fā)生的，是一件棘手的事情。她解釋說(shuō)，閃電在移動(dòng)過(guò)程中，會(huì)儲(chǔ)存一些電荷，進(jìn)而導(dǎo)致電場(chǎng)改變，并經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生二次閃電。緊接著，一個(gè)小閃電就會(huì)在天空中蔓延。
“如果你通過(guò)像地球靜止軌道閃電成像儀這樣的光學(xué)傳感器觀察閃電，就無(wú)法看出二者之間的差別。”她說(shuō)。
地面觀測(cè)系統(tǒng)，比如識(shí)別之前破紀(jì)錄的閃電識(shí)別系統(tǒng)，可監(jiān)測(cè)一大片天空中的輻射情況，并繪制出高分辨率的三維閃電圖。不過(guò)，Peterson說(shuō)，這類(lèi)系統(tǒng)的觀測(cè)范圍比衛(wèi)星更有限。將上述兩種方法的結(jié)合起來(lái)，有可能是研究閃電結(jié)構(gòu)和物理學(xué)的最佳方式。
盡管如此，最新的研究不僅提供了一個(gè)機(jī)會(huì)，來(lái)探究大量傳回地球卻未被利用的數(shù)據(jù)，還提出了有關(guān)閃電安全的重要問(wèn)題。
Peterson指出，這些巨型閃電通常會(huì)在在地面上的人認(rèn)為風(fēng)暴已經(jīng)平息之后到達(dá)。可能已經(jīng)不再下雨了，或許閃電已經(jīng)停止了。不過(guò)，片刻之后一只蜘蛛般的野獸可能會(huì)突然竄過(guò)天空，在幾秒鐘內(nèi)穿越不同的州。
Calhoun補(bǔ)充說(shuō)，了解風(fēng)暴云的反復(fù)無(wú)常至關(guān)重要。“即使沒(méi)有看到閃電出現(xiàn)，你頭頂?shù)纳峡找部赡苓M(jìn)行著大量活動(dòng)?！?/p>
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