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2019-03-01電光石火的一瞬—追蹤毫秒內高空閃電的瞬息變化
591 期
Author 作者
郭政靈／任教於中央大學太空科學所，從事高空閃電研究。
從富蘭克林（Banjamin Franklin）利用風箏引電、研究雷暴中電的正負開始，到人類發明電晶體以電作為開關，形成現今生活中所使用的手機、平板及電腦等電子設備，自然科學研究往往是人類將對自然界未知現象的勇於追求，進而運用至人類日常生活裡的過程。閃電，是生活中最常經歷的科學事件，然而關於閃電，其實人們懂得並不多。在臺灣，除了大氣科學家，還有一群物理學家及太空科學家努力研究閃電，嘗試利用高速攝影機的畫面揭開高空閃電的神祕蹤跡。
高空閃電的精靈家族
高空閃電的精靈家族裡頭，有所謂的紅色精靈（red sprite）、精靈暈盤（halo）、淘氣精靈（elves）、藍色噴流（blue jet）、巨大噴流（gigantic jet）、伴隨閃電活動所產生的咖碼射線（gamma-rays）及沿著磁力線產生的電子-正子束（electron-positron beam）。它們發生在雲層頂之上，往往與閃電的有關，目前從觀測到事件所推算的高度大約在雲層頂15~100公里處，也就是地球大氣中對流層頂（troposphere pause）、平流層（stratosphere）、中間層（mesosphere）到電離層（ionosphere）的底部。高空閃電相關的照片見圖一。
圖一：高空閃電的各種精靈家族。（歐洲太空總署ESA， https://reurl.cc/06Lol。）
雷暴閃電之上是一個神祕的舞台，伴隨30年來科學家的發現，歸類為不同的形態及自然現象，與雲層內及下方的閃電截然不同。科學的發現往往在於偶然之間，而且需要花好幾十年的青春歲月去證實。從最早的科學紀錄開始，1989年美國明尼蘇達大學（University of Minnesota）的科學家法蘭茲（R.C. Franz）等人，在測試低光度黑白攝影機時，無意間拍到在雷暴上空有奇特的發光現象，並發表在Science，這才有了第一個正式的觀測記錄。而後，經過1、20年的觀測，發現除了紅色精靈外更多的高空閃電現象。
眼睛能夠觀察到多快的事件？
雖說閃電是每個人都經歷過的日常生活事件，但它有什麼值得研究之處呢？科學家除了利用雷聲與閃光時間差去估算閃電的距離外，其實閃電的過程很複雜，其複雜過程在短短幾百毫秒間就結束了，短到人們一直以為閃電只是從雷雨雲裡發出的閃光，或是雲底連接到地面的一道光。事實上，肉眼所看到的閃電是過程中時間較久的回擊現象，這之前還包含閃電的前導從雲內發展打通到地面的過程，還有回擊後的再回擊過程。如果從監視器或手機所拍攝的每秒30張或更快的畫面，可以發現這道回擊的光往往閃了好幾次。這也就表示，雷神索爾拿的雷神之槌所產生的雷電並非單發，而是如同機關槍連發的，其更能凸顯閃電對地面的威脅。
那麼究竟眼睛能夠觀察到多快的事件？以電視播放為例，畫面播放的時間設計至少短於視覺暫留的時間，1個電視畫面的速度為每秒30張圖片，即30fps（frames per second，每秒顯示幀數）。而視覺暫留的時間則為2個電視畫面的播放時間，為15fps，約為70毫秒。這也就是眼睛所看到短於視覺暫留時間內的閃電，發生好幾次閃光卻感受不到的原因。
高速攝影下的高空閃電
在鹿林天文台經過10幾年的觀測，記錄著無數高空閃電的倩影，去（2018）年利用高速攝影機所拍攝的紅色精靈，圖二為利用1000 fps所拍攝的紅色精靈影像，每幅照片為1毫秒（ms），時間順序為a~d，此類紅色精靈又有一個俗——水母精靈。通常會同時發生很多個紅色精靈，並且在紅色精靈下方形成交錯的觸手向下延伸，實際上它是由電漿流向下形成碎形交錯的圖案，並在反應劇烈處形成電漿球狀的結構，解讀成地面的球型閃電，但發生的機制及環境與地面的球型閃電完全不同，詳細的過程目前並不清楚。
圖二：利用高速攝影機所1000fps拍攝的紅色精靈，每幅照片為1 毫秒，（a）首先可以看見右上角的精靈暈盤；（b）整個紅色精靈的畫面；（c）下半部消散，並有豆狀的電漿團（sprite beans）形成；（d）留下豆狀的電漿團以及部分的結構。（觀測人員：陳沛羽、陳宇哲；資料分析：吳郁娟、楊哲明）
過去在科技部計畫經費的支持下，成功大學建置紅色精靈地面觀測，利用多站的三角測量成功解析巨大噴流的三維結構；中央大學方面，則使用自製光譜儀成功記錄紅色精靈的光譜，並利用高速攝影機將時間解析度終於進展到每秒5000張，也就是眨一次眼200毫秒的1∕1000時間，圖三所觀測到的紅色精靈首先出現精靈暈盤，精靈暈盤可從圖三a~c中觀察到是一道發亮的圓弧往下移動，將圖三a~c向下移動的圓弧連續曝光重疊在一起，可以對應到圖二a中碗狀的精靈暈盤，但圖二與圖三為不同事件。同時圖三c中圓弧中產生往下的電漿流，圖三d~f中向上以及向下產生電漿流，圖三f~j中向下的電漿流像是仙女棒產生的火苗往低處竄動，將所有往下的電漿流的亮光連續曝光重疊在一起，則會是類似於圖二b中紅色精靈中向下延伸的鬚根。因此，從更高時間解析度可觀察到紅色精靈細緻的動態變化結構。......【更多內容請閱讀科學月刊第591期】
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圖三：利用高速攝影機5000 fps所拍攝的紅色精靈，每幅照片為0.2 毫秒，時間順序為檔案的英文順序。（a）~（c）的紅色框為精靈暈盤在每秒5000張解析中的動態變化，而（f）~（i）的紅色框為紅色精靈下半部的鬚狀在每秒5000張解析中的動態變化。（觀測人員：陳沛羽、陳宇哲；資料分析：吳郁娟、楊哲明）