熱文：新研究揭開直射80公里高空的“巨大噴流”之謎

據估計，此次巨大噴流將大約300庫倫的電荷從雷暴轉移到了地球電離層中（太空的最底端）。而一般的閃電在云層或地面之間、或者云層內部攜帶的電荷還不到5庫倫。向上的放電還包括溫度相對較低（約200攝氏度）的等離子體流。不過，其中的“先導”部分溫度極高，超過4400攝氏度。

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“我們利用高質量數據、繪制了此次巨大噴流的3D路線圖。”佐治亞理工學院研究科學家、此次發表論文的通訊作者利瓦伊·博格斯表示，“我們也首次成功觀察到了云層上方的甚高頻源。利用衛星和雷達數據，我們找到了熾熱的放電先導部分在云層上方的具體位置。”

博格斯與多個機構合作開展了此次研究，包括美國大學空間研究協會、德州理工大學、新罕布什爾大學、西班牙加泰羅尼亞理工大學、杜克大學、俄克拉荷馬大學、美國國家海洋和大氣管理局國家嚴重風暴實驗室、以及洛斯阿拉莫斯國家實驗室。研究結果于8月3日發表在了多學科開源期刊《科學進展》上。

杜克大學電氣與計算機工程教授斯蒂夫·康莫則利用閃電釋放的電磁波研究了這一現象。在他管理的研究基地，若干傳感器在空地上組合成類似傳統天線的序列，負責接收當地雷暴發出的信號。

“甚高頻及光學信號證實了研究人員之前的猜測：閃電發出的甚高頻射電信號來自正在形成的閃電尖端處的“流光”（streamers）結構，閃電中最強的一股電流緊接其后，沿著名為‘先導’的導電通道流動。”

該論文的共同作者、大學空間研究協會成員道格·馬赫指出，此次研究的獨特之處在于，其確定了閃電發射光線的三維位置就位于云層頂部上方。

“好幾個系統都檢測到了此次巨大噴流，包括閃電繪圖陣列、以及兩臺地球同步光學閃電檢測儀，這是一起絕無僅有的事件，也為我們提供了更多有關巨大噴流的信息。”馬赫指出，“更重要的是，這大概是巨大噴流在云層以上的部分首次利用地球同步閃電繪圖儀器組完成三維路徑繪制。”

過去20年間，科學家雖一直在對巨大噴流開展觀測和研究，但由于缺少專用的觀察系統，真正探測到的巨大噴流寥寥無幾。博格斯還是從一名同事那里了解到俄克拉荷馬州的這起雷暴的。這名同事告訴他，2018年5月14號那天，一位民間科學家用一臺低照度照相機拍下了一道巨大噴流。

巧合的是，這起事件的發生地附近剛好就有一套甚高頻閃電繪圖系統，并且在兩座新一代氣象雷達探測范圍以內，還能被美國國家海洋和大氣管理局地球靜止軌道環境業務衛星（GOES）上的儀器檢測到。博格斯認為這些系統收集的數據都用得上，于是與同事一起將它們收集過來、用于開展分析。

“這些詳細數據顯示，那些溫度較低的流光的確是從云層頂端上方開始擴散的。”博格斯解釋道，“它們一直向上延伸到海拔80至96公里處的低層電離層，在云端和低層電離層之間建立起直接的電流連接。”

這種連接能夠在短短一秒內傳輸成千上萬安培的電流。向上的放電過程會將負電荷從云端轉移到電離層中，這也是巨大噴流的典型現象。

數據顯示，在云端向上放電的過程中，海拔22至45公里之間都探測到了甚高頻射電信號源，而閃電先導部分釋放的光學信號則一直停留在高度15至20公里的云端附近。同一時間獲取的3D射電與光學數據說明，甚高頻閃電探測網絡監測到的信號來自流光電暈、而非先導通道，這一發現的影響已不僅限于巨大噴流，對整個閃電物理學的研究都具有重要意義。

巨大噴流為何會向太空中發射電荷呢？研究人員猜測，也許有什么東西阻擋了電荷向下運動、或向其它云團運動。俄克拉荷馬州雷暴的數據記錄顯示，在巨大噴流形成前，此次暴風雨幾乎沒有產生任何閃電活動。

“不知出于什么原因，從云層到地面的放電過程總會受到抑制，”博格斯指出，“負電荷會越積越多，但風暴頂部的條件可能使最頂端的電荷層（通常為正電荷）遭到削弱。如果不像我們通常見到的閃電那樣放電，巨大噴流也許就會在云層中將過多的負電荷釋放出去。”

目前關于巨大噴流還有許多未解之謎，因為我們觀察到的巨大噴流可謂少之又少，能碰上純靠運氣，有時會被飛機上的飛行員或乘客看見，有時則由地面上的觀測者用夜視照相機捕捉到。

據估計，巨大噴流的發生頻率從每年1千次到5萬次不等，并且在熱帶地區的報告更多。不過，俄克拉荷馬州并非熱帶地區，此次巨大噴流的強度卻高達第二名的兩倍。

博格斯指出，巨大噴流可能會對近地軌道上衛星的運行產生一定影響。隨著越來越多的設備進入太空，信號衰減和性能問題可能會變得越加顯著。巨大噴流還可能影響到其它技術手段，比如超視距雷達，因為其信號是經由電離層進行反射的。