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2021-02-01電器用品小心！閃電伴隨的電磁脈衝
614 期
Author 作者
郭政靈／任教中央大學太空科學與工程學系。
雲層與地面間的閃電會造成電力基礎設施及人身財產的損失，是大家熟知的，但閃電活動中伴隨的電流與電荷轉移，會產生對應的靜電場及電磁波，進而在更高的區域出現高空閃電。閃電活動中，電荷轉移所產生的瞬間靜電場，會造成40～90公里高空的氣體放電，由於高空中的氣體密度較地面小，若有少量的自由電子存在，這些電子因為碰撞到氣體分子機率較低，使自由電子加速的距離增加，導致電子有機會能夠加速到超過激發或游離氣體分子所需要的能量。
而在更高空處，氣體放電會出現各種繽紛的形式。包含紅色精靈（red sprite）、精靈暈盤（halo）、藍色噴流（blue jet）、巨大噴流（gigantic jet）及伴隨閃電活動所產生高能量的y射線（gamma-rays），甚至是y射線產生電子與正電子對（electron-positron pair）。
找出高空閃電的謎團
關於高空閃電仍有不少未解之謎，其中一個是地面伽瑪射線閃（terrestrial gamma-ray flash, TGFs）。過去科學家認為，這種高能量的y射線是宇宙中最高能量的釋放過程，可能是類似超新星爆炸的劇烈能量所釋放造成，但美國國家航空暨太空總署（NASA）於1994年首次利用康普頓伽瑪射線天文臺（Compton Gamma Ray Observatory, CGRO）觀測到地球產生的TGF，隨後在1996年由美國史丹福大學分析的閃電資料中發現TGF與閃電有關，但由於當時觀測的儀器來自地面及衛星量測，因此關於TGF與閃電的時間與位置的定位，始終困擾著科學家。目前科學家普遍認為TGF與閃電的前導活動有關，而在國際太空站上的德國科研團隊首次發現了y射線來自於閃電電流，其強大的電流激發了高空大氣發光，形成淘氣精靈。
這項發現首次證實了y射線與閃電的關聯性，過程中引起的淘氣精靈更是y射線在可見光的高空大氣所留下的印記。目前全世界正在發展不同的衛星觀測，日本於2011年在國際太空站執行JEM-GLIMS科學任務；德國於2018年4月在國際太空站執行ASIM（Atmosphere-Space Interactions Monitor）科學任務；而去（2020）年11月法國所發射的高空閃電衛星Taranis原本將接力持續探索，但因火箭發射失敗導致任務鎩羽而歸。
如何拍攝大氣中的電磁脈衝傳播？
電磁脈衝波在大氣中以接近光速的速度前進，要捕捉到電磁波在空氣中傳播幾乎不太可能。對此，我們透過低光度高速攝影機系統，嘗試捕捉大氣中電磁脈衝波的傳播，此方法能提升我們對於電磁脈衝在大氣中的傳播觀測能力，以及理解電磁波在大氣中傳播。我們該如何把電磁波轉成光的訊號，將閃電產生的電磁脈衝順利記錄下來呢？
過去我們曾在中央大學的鹿林天文台進行紅色精靈觀測，這段觀測的過程讀者可參考《科學月刊》591期〈電光石火的一瞬─追蹤毫秒內高空閃電的瞬息變化〉，文章有詳細的觀測解說。
不過，受限於鹿林天文台的觀測範圍，我們在去年選擇更適合的觀測地點，其中一個地點為位於海拔3952公尺的中央氣象局玉山觀測站。此觀測站位處玉山北峰，是臺灣最高的氣象觀測站，除了其南面受到較高的玉山主峰遮蔽外，其餘的角度都可以觀測高空閃電。
由於高空閃電相較於地面閃電的發光時間非常短且較暗，適合觀測的距離約為200～600公里。……【更多內容請閱讀科學月刊第614期】