美国科学家发现破纪录的巨型蜘蛛闪电

撰文:MAYA WEI-HAAS
 
美国科学家发现破纪录的巨型蜘蛛闪电
在这张电脑合成的照片中,一场雷暴出现在巴西南部和乌拉圭上空。这张图片中的闪电长约260公里,大约是最新报道破纪录的闪电长度的三分之一。
图:MICHAEL PETERSON,LOS ALAMOS NATIONAL LABORATORY
 
  一天晚上,Michael Peterson在工作期间发现眼前出现了一只巨大的蜘蛛。不过,作为洛斯阿拉莫斯国家实验室遥感科学家,Peterson知道这并不是一只八足动物。实际上,出现在屏幕上的是所谓的巨型蜘蛛闪电——一个复杂的闪电网,在阴霾的天空中绵延数百公里。
 
  “我简直惊呆了,”他说。
 
美国科学家发现破纪录的巨型蜘蛛闪电
这张地图展示了卫星数据中发现的最大闪电。该闪电的足迹遍及美国多个州,覆盖面积达11.4万平方公里。底部的条形图显示了单个闪电的能量和大小随时间的变化情况。
图:MICHAEL PETERSON,LOS ALAMOS NATIONAL LABORATORY
 
  经过分析,他发现了两道破纪录的闪电,分别在闪电长度和持续时间上创下了记录。其中一道闪电穿越巴西上空,从头到尾全长672公里,比堪萨斯州还长。第二道闪电在美国中部上空持续了13.5秒。第三道闪电出现在美国南部上空,覆盖面积达11.4万平方公里,与俄亥俄州面积相当。(官方数据没有记录覆盖面积最大的闪电,因此无法确定该闪电是否创下了纪录。)
 
  Peterson说,之前的闪电记录“对我们有关闪电的典型观点提出了质疑”。不过,这些最新的超级闪电“实际上正在进一步推动科学家对闪电的认识。”
 
  更重要的是,此次对如此大规模闪电的识别,突显了美国国家海洋和大气局最新气象卫星GOES-16和GOES-17的巨大威力。这些数据是Peterson最新的自动化数据处理系统的试验场,该系统最近发表在《地球物理研究大气杂志》上,对从太空传回的最复杂的闪电数据进行了处理。
 
  这些天空中的“眼睛”不仅能帮助我们更好地研究气象灾害,还能帮助我们了解长期天气模式,从而促进研究人员对风暴演变与气候变化之间关系的认识。
 
  “闪电科学是相对较新的研究领域,基本上我们能做的就是尽可能快地利用仪器进行探测。” 美国国家海洋和大气管理局国家强烈风暴实验室的高级研究员Kristin Calhoun说,她没有参与这项新研究。这些卫星收集的数据将会“给我们提供一个机会,让我们得以用之前从未见过的方式研究闪电。”
 
闪电解剖
 
  最新研究中发现的闪电是所谓的蜘蛛闪电。虽然你可能认为闪电主要以垂直方式运动,但蜘蛛闪电却是以水平方式在云层中移动。
 
  蜘蛛闪电往往形成于大型复杂风暴系统的滞后地带。这类事件的形成原因是大气不稳定,通常当温暖潮湿的空气与凉爽干燥的空气碰撞后,将温暖的空气抬升到高空中。
 
  当空气上升时,温度骤降,导致水滴凝结,最终形成冰碎片。所有的冰碎片、水滴和半融的冰都相互争夺抢位置。这会导致其中一些物体带正电荷,另一些带负电荷,所有带电物体都聚集于系统的不同区域。这样的分离使云“带电”,为闪电发生做好准备。
 
  在上升的云层中,结冰的微粒非常密集,也就意味着碰撞会很频繁,整个系统会以垂直闪电的方式快速地充电放电。不过,离不稳定区域较远的是一个更稳定的区域,又被称为层状云区。在层状云区,电荷在更广阔的区域内缓慢聚积。这就意味着当闪电最终划过天空时,会变得非常巨大。
 
  Calhoun在描述最新研究中记录的一次闪电时,惊叹道:“这次闪电利用了从德克萨斯州东部一直到阿肯色州南部的电荷,总共持续了10秒钟。”
 
数据过载
 
  为了进行新的分析,Peterson使用了GOES-16和GOES-17卫星2018年在美洲各地收集的数据,GOES-16和GOES-17卫星的运行轨道距离地面35400公里。这两颗卫星位于所谓的地球静止轨道上,意味着它们与地球自转完全同步,以至于从地球表面看,它们就像是在天空中静止不动一样。这两颗卫星都配备了地球静止轨道闪电成像仪,实际上就是一部高级视频摄像机,以每秒550帧的频率在非常狭窄的频率范围内记录光子。
 
  这两颗卫星持续监视着从澳大利亚东部到非洲西海岸的近半个地球,提供了前所未有的大量关于地球的信息。仅在2018年,该系统就记录了美洲各地约3.6亿次闪电,将数据传回给可进行实时数据处理的地面处理器。尽管如此,该系统并不完美。
 
  “最大的挑战同时也是最大的优点,就是数据量太大。” Peterson说。
 
  由于数据是实时传送,有时数据处理系统可能无法处理过于复杂的闪电。当这种情况发生时,系统算法会将闪电分割成一系列的简要说明数据。之后,数据处理系统会将分段的闪电标记为降级数据,因此许多研究人员在分析过程中会将其舍弃。
 
  2018年,大约有4%的数据属于这种情况,相当于1440万起闪电事件。或者就像Peterson说的那样,“基本上被丢弃的闪电与上一代卫星整个任务期间发现的闪电一样多。”
 
  Peterson的自动化数据处理方法将分割的闪电片段重新拼接起来。结果就是发现了极其复杂的蜘蛛闪电。
 
  虽然他发现的破纪录闪电仍需要联合国世界气象组织的官方认证,但这两道闪电基本上都是过去纪录的两倍左右。2007年,一道长达320公里的闪电划过俄克拉荷马州的上空;2012年,一道持续7.74秒的闪电照亮了法国南部的天空。
 
未来展望
 
  美国国家海洋和大气管理局强烈风暴实验室的物理科学家Edward Mansell说:“初看起来,研究者真正发现了实际数据流中没有完全体现出来的规律,真的很令我印象深刻。”
 
  Calhoun对此表示赞同,他指出,最新的研究充分表明风暴多么活跃。不过,她也警告说,判断闪电是单个发生的,还是连续发生的,是一件棘手的事情。她解释说,闪电在移动过程中,会储存一些电荷,进而导致电场改变,并经常会产生二次闪电。紧接着,一个小闪电就会在天空中蔓延。
 
  “如果你通过像地球静止轨道闪电成像仪这样的光学传感器观察闪电,就无法看出二者之间的差别。”她说。
 
  地面观测系统,比如识别之前破纪录的闪电识别系统,可监测一大片天空中的辐射情况,并绘制出高分辨率的三维闪电图。不过,Peterson说,这类系统的观测范围比卫星更有限。将上述两种方法的结合起来,有可能是研究闪电结构和物理学的最佳方式。
 
  尽管如此,最新的研究不仅提供了一个机会,来探究大量传回地球却未被利用的数据,还提出了有关闪电安全的重要问题。
 
  Peterson指出,这些巨型闪电通常会在在地面上的人认为风暴已经平息之后到达。可能已经不再下雨了,或许闪电已经停止了。不过,片刻之后一只蜘蛛般的野兽可能会突然窜过天空,在几秒钟内穿越不同的州。
 
  Calhoun补充说,了解风暴云的反复无常至关重要。“即使没有看到闪电出现,你头顶的上空也可能进行着大量韦德娱乐1946手机版。”
 
(译者:流浪狗)
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