把天文望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)閃電會(huì)看到什么？

借助射電望遠(yuǎn)鏡陣列，一組研究人員首次觀(guān)測(cè)到閃電的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，并解釋了閃電為什么總會(huì)在一個(gè)地方重復(fù)出現(xiàn)。

——針狀結(jié)構(gòu)——

“這一發(fā)現(xiàn)與目前的認(rèn)識(shí)形成鮮明對(duì)比，目前認(rèn)為，閃電放電過(guò)程是電荷沿等離子體通道直接從云層的一部分流向另一部分，或者流向地面，”格羅寧根大學(xué) KVI-CART 研究所物理學(xué)教授 Olaf Scholten 解釋說(shuō)。他的同事 Brian Hare 博士補(bǔ)充說(shuō)，得益于 LOFAR 射電望遠(yuǎn)鏡的“超強(qiáng)能力”，研究人員得以首次觀(guān)測(cè)到這種細(xì)微的針狀結(jié)構(gòu)，“這些針狀結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度為 100 米，直徑小于 5  米，對(duì)于其他閃電檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)太小了，而且存在時(shí)間太短暫?！?/p>

LOFAR 全稱(chēng)“低頻陣列”（Low Frequency Array），是荷蘭的一臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡，由數(shù)千個(gè)比較簡(jiǎn)單的天線(xiàn)組成，一直延伸到北歐。這些天線(xiàn)通過(guò)光纖電纜與中央計(jì)算機(jī)連接，也就是說(shuō)，它們可以作為單個(gè)實(shí)體來(lái)運(yùn)行。LOFAR 主要用于射電天文觀(guān)測(cè)，但天線(xiàn)的頻率范圍也適用于閃電研究，因?yàn)殚W電放電過(guò)程會(huì)產(chǎn)生特高頻（very high frequency ，VHF）無(wú)線(xiàn)電波段。

——在云層中——

對(duì)于目前的閃電觀(guān)測(cè)，科學(xué)家們只使用了位于荷蘭的 LOFAR 觀(guān)測(cè)站，覆蓋面積為 3,200 平方千米。這項(xiàng)新研究分析了在 30-80 MHz 頻段內(nèi)的原始時(shí)間軌跡（精確到 1 納秒）。Brian Hare 說(shuō)：“這些數(shù)據(jù)使我們能夠在一定尺度上探測(cè)閃電的傳播過(guò)程，在這個(gè)尺度上，我們第一次能夠區(qū)分閃電發(fā)生的主要過(guò)程。此外，借助無(wú)線(xiàn)電波，我們可以看到云層內(nèi)部，閃電的大部分過(guò)程都發(fā)生在這里?！?/p>

當(dāng)強(qiáng)上升氣流在大型積雨云中產(chǎn)生一種靜電時(shí)，閃電就會(huì)發(fā)生。一部分云層帶正電荷，而另一部分帶負(fù)電荷；當(dāng)這種正負(fù)電荷產(chǎn)生的電勢(shì)足夠大時(shí)，會(huì)發(fā)生劇烈的放電過(guò)程，這就是我們熟知的閃電。這種放電過(guò)程從等離子體（小范圍的能夠?qū)щ?、足夠熱的電離空氣）開(kāi)始。這個(gè)小的區(qū)域逐漸延伸，形成一個(gè)分叉的等離子通道，可長(zhǎng)達(dá)幾公里。等離子體通道的正電極從云層中收集負(fù)電荷，負(fù)電荷通過(guò)等離子通道到達(dá)負(fù)電極，然后被釋放。目前已知道，在負(fù)電荷通道的生長(zhǎng)尖端處會(huì)產(chǎn)生大量 VHF，而正電荷通道只是沿通道放電，而不在尖端處放電。

——新的算法——

科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一種新的算法來(lái)處理 LOFAR 數(shù)據(jù)，這使他們可以看到兩次放電過(guò)程中的 VHF 無(wú)線(xiàn)電發(fā)射。通過(guò)利用天線(xiàn)陣列，并對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行非常精確的時(shí)間標(biāo)記，他們能夠以前所未有的分辨率精確定位發(fā)射源?！霸?LOFAR 核心區(qū)域附近，天線(xiàn)密度最高，空間精度約為 1 米，”Scholten 教授說(shuō)。此外，所獲得的數(shù)據(jù)能夠定位的 VHF 發(fā)射源數(shù)量達(dá)到其他三維成像系統(tǒng)的 10 倍，其時(shí)間分辨率也在納秒范圍內(nèi)。這一切使得研究團(tuán)隊(duì)得以生成閃電放電過(guò)程的高分辨率 3D 圖像。

——突破——

研究結(jié)果清楚地表明，在形成針狀結(jié)構(gòu)的位置上，放電通道發(fā)生了中斷。針狀結(jié)構(gòu)似乎使得負(fù)電荷從主要通道被釋放出來(lái)，隨后重新進(jìn)入云層，于是放電通道中電荷減少，導(dǎo)致了中斷。然而，一旦云層中的電荷再次累積到一定的量，電荷在放電通道中的流動(dòng)就會(huì)恢復(fù)，從而形成第二次放電過(guò)程。通過(guò)這種機(jī)制，閃電將在同一區(qū)域反復(fù)發(fā)生。

Scholten 說(shuō)：“沿著正電荷通道釋放的 VHF 是由于針狀結(jié)構(gòu)（先前形成的側(cè)通道）在相當(dāng)規(guī)律地重復(fù)放電而產(chǎn)生的。這些針狀結(jié)構(gòu)似乎以電脈沖方式釋放電荷?！边@是一個(gè)全新的現(xiàn)象，美國(guó)新罕布什爾大學(xué)（University of New Hampshire）的 Joe Dwyer 教授、該論文的第三作者補(bǔ)充道，：“我們新的觀(guān)測(cè)技術(shù)在閃電中顯示了大量的針狀結(jié)構(gòu)，這是以前沒(méi)有見(jiàn)過(guò)的?！倍?Brian Hare 總結(jié)：“從這些觀(guān)測(cè)中我們看到，云層的一部分被重新充電，因而可以理解為什么對(duì)地面放電的閃電可能會(huì)重復(fù)幾次?！?/p>

本文由淮安天文望遠(yuǎn)鏡廠(chǎng)家轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)“科研圈”。