“红色精灵”是一种中高层大气瞬态发光事件，通常出现在雷暴云上方的高空（约30km—90km高度），因其主体颜色为红色，形态像精灵，且出现时间很短（通常小于1/30秒）而得名。
近日，中国科学技术大学提出了一种新方法，基于卫星轨迹与星场分析还原“红色精灵”事件的发生，帮助科学家进一步了解“红色精灵”事件。
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▲“红色精灵”现象。安久 摄影/供图
01
星空为尺
记录精确时间
2022年5月19日深夜，两位中国天文摄影师在青藏高原普莫雍错北岸，意外记录到南亚地区雷暴上空上百个“红色精灵”。但由于摄影记录缺乏精确的时间戳，“红色精灵”的发生时间及其母体闪电和雷暴活动无法被确定。
研究团队利用星空背景和卫星运动轨迹，逐步还原了视频的拍摄时间，重新构建了当时的观测视野。
▲“红色精灵”事件。安久 摄影
通过比较视频中星座的位置和模拟星空视野，将拍摄时间的估算误差控制在分钟级。再将视频中的卫星轨迹与模拟的卫星轨迹进行比对，最终将时间误差缩小到1秒。
研究团队成功确定了每个“红色精灵”观测的准确时间，并识别了大部分“红色精灵”的母体闪电，为后续分析奠定了基础。
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▲2022年5月19日22时21分39秒时的视频帧（上图）与天文软件导出的星空图（下图）对比
02
“精灵”起舞
展示罕见特性
研究发现，这次事件有一半是跃动的“舞蹈精灵”，还有罕见的次生喷流，以及亚洲首例夜间电离层底部绿色发光现象——“鬼火精灵”。此前还没有观测表明该地区的雷暴上空可能会成群出现瞬态发光事件，此次发现为研究该地区的大气放电现象打开了新窗口。
“舞蹈精灵”通常由一次闪电中的不同放电过程触发，这表明雷暴中可能包含大量大规模的闪电。视频显示，产生它们的闪电可能是从对流云附近传播到层状云的。
巨大的次生喷流通常在“红色精灵”事件后连续出现，高度可达90多千米。此前次生喷流的观测案例很少，而这次观测到的次生喷流达到16次之多，表明这一地区雷暴上层复杂的放电形态。
“鬼火精灵”则更为神秘，它出现在水母状“红色精灵”序列之后，位于其非常明亮的头部位置。此次“鬼火精灵”的绿色光芒持续了近1秒，这在之前的观测中极为少见。视频中新出现的“精灵”序列的外观，朝着“鬼火精灵”的方向倾斜，这可能是受到了“鬼火精灵”区域电离状态的影响。
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▲诱发“红色精灵”的母体闪电和雷暴闪电分布
研究团队还发现，产生“红色精灵”的闪电主要是正极性的，且一半的峰值电流超过+50kA。
这些闪电大多位于一个中尺度对流复合体（MCC）的层状区域。该复合体从恒河平原延伸到青藏高原南部，云面积超过20万平方千米，云顶黑体温度最低接近180K。
03
天气“引擎”
引爆百场秀
这场大规模“红色精灵”爆发的背后，是一场在有利气象条件下发生发展的雷暴。
当天，大型中尺度对流复合体天气，产生了超过十万次的闪电，引发了上百次“红色精灵”事件。由于摄影师的观测时间不到3个小时，所以实际产生的“精灵”事件可能更多。
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▲“红色精灵”母体雷暴的卫星云图及闪电峰值电流变化
本次对青藏高原上“红色精灵”的观测，为研究南亚地区雷暴上方的中高层大气放电现象提供了宝贵的数据，让科研人员对该地区雷暴的物理和化学效应有了更深入的了解。有助于研究对流层与中高层大气之间的耦合关系，为全球气候变化研究提供参考。
来源：中国科学技术大学
责任编辑：王颖