撰文：MAYA WEI-HAAS
在這張電腦合成的照片中，一場雷暴出現(xiàn)在巴西南部和烏拉圭上空。這張圖片中的閃電長約260公里，大約是最新報道破紀錄的閃電長度的三分之一。
圖：MICHAEL PETERSON，LOS ALAMOS NATIONAL LABORATORY
一天晚上，Michael Peterson在工作期間發(fā)現(xiàn)眼前出現(xiàn)了一只巨大的蜘蛛。不過，作為洛斯阿拉莫斯國家實驗室遙感科學家，Peterson知道這并不是一只八足動物。實際上，出現(xiàn)在屏幕上的是所謂的巨型蜘蛛閃電——一個復雜的閃電網(wǎng)，在陰霾的天空中綿延數(shù)百公里。
“我簡直驚呆了，”他說。
這張地圖展示了衛(wèi)星數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的最大閃電。該閃電的足跡遍及美國多個州，覆蓋面積達11.4萬平方公里。底部的條形圖顯示了單個閃電的能量和大小隨時間的變化情況。
經(jīng)過分析，他發(fā)現(xiàn)了兩道破紀錄的閃電，分別在閃電長度和持續(xù)時間上創(chuàng)下了記錄。其中一道閃電穿越巴西上空，從頭到尾全長672公里，比堪薩斯州還長。第二道閃電在美國中部上空持續(xù)了13.5秒。第三道閃電出現(xiàn)在美國南部上空，覆蓋面積達11.4萬平方公里，與俄亥俄州面積相當。（官方數(shù)據(jù)沒有記錄覆蓋面積最大的閃電，因此無法確定該閃電是否創(chuàng)下了紀錄。）
Peterson說，之前的閃電記錄“對我們有關閃電的典型觀點提出了質(zhì)疑”。不過，這些最新的超級閃電“實際上正在進一步推動科學家對閃電的認識。”
更重要的是，此次對如此大規(guī)模閃電的識別，突顯了美國國家海洋和大氣局最新氣象衛(wèi)星GOES-16和GOES-17的巨大威力。這些數(shù)據(jù)是Peterson最新的自動化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的試驗場，該系統(tǒng)最近發(fā)表在《地球物理研究大氣雜志》上，對從太空傳回的最復雜的閃電數(shù)據(jù)進行了處理。
這些天空中的“眼睛”不僅能幫助我們更好地研究氣象災害，還能幫助我們了解長期天氣模式，從而促進研究人員對風暴演變與氣候變化之間關系的認識。
“閃電科學是相對較新的研究領域，基本上我們能做的就是盡可能快地利用儀器進行探測。” 美國國家海洋和大氣管理局國家強烈風暴實驗室的高級研究員Kristin Calhoun說，她沒有參與這項新研究。這些衛(wèi)星收集的數(shù)據(jù)將會“給我們提供一個機會，讓我們得以用之前從未見過的方式研究閃電。”
閃電解剖
最新研究中發(fā)現(xiàn)的閃電是所謂的蜘蛛閃電。雖然你可能認為閃電主要以垂直方式運動，但蜘蛛閃電卻是以水平方式在云層中移動。
蜘蛛閃電往往形成于大型復雜風暴系統(tǒng)的滯后地帶。這類事件的形成原因是大氣不穩(wěn)定，通常當溫暖潮濕的空氣與涼爽干燥的空氣碰撞后，將溫暖的空氣抬升到高空中。
當空氣上升時，溫度驟降，導致水滴凝結，最終形成冰碎片。所有的冰碎片、水滴和半融的冰都相互爭奪搶位置。這會導致其中一些物體帶正電荷，另一些帶負電荷，所有帶電物體都聚集于系統(tǒng)的不同區(qū)域。這樣的分離使云“帶電”，為閃電發(fā)生做好準備。
在上升的云層中，結冰的微粒非常密集，也就意味著碰撞會很頻繁，整個系統(tǒng)會以垂直閃電的方式快速地充電放電。不過，離不穩(wěn)定區(qū)域較遠的是一個更穩(wěn)定的區(qū)域，又被稱為層狀云區(qū)。在層狀云區(qū)，電荷在更廣闊的區(qū)域內(nèi)緩慢聚積。這就意味著當閃電最終劃過天空時，會變得非常巨大。
Calhoun在描述最新研究中記錄的一次閃電時，驚嘆道：“這次閃電利用了從德克薩斯州東部一直到阿肯色州南部的電荷，總共持續(xù)了10秒鐘。”
數(shù)據(jù)過載
為了進行新的分析，Peterson使用了GOES-16和GOES-17衛(wèi)星2018年在美洲各地收集的數(shù)據(jù)，GOES-16和GOES-17衛(wèi)星的運行軌道距離地面35400公里。這兩顆衛(wèi)星位于所謂的地球靜止軌道上，意味著它們與地球自轉(zhuǎn)完全同步，以至于從地球表面看，它們就像是在天空中靜止不動一樣。這兩顆衛(wèi)星都配備了地球靜止軌道閃電成像儀，實際上就是一部高級視頻攝像機，以每秒550幀的頻率在非常狹窄的頻率范圍內(nèi)記錄光子。
這兩顆衛(wèi)星持續(xù)監(jiān)視著從澳大利亞東部到非洲西海岸的近半個地球，提供了前所未有的大量關于地球的信息。僅在2018年，該系統(tǒng)就記錄了美洲各地約3.6億次閃電，將數(shù)據(jù)傳回給可進行實時數(shù)據(jù)處理的地面處理器。盡管如此，該系統(tǒng)并不完美。
“最大的挑戰(zhàn)同時也是最大的優(yōu)點，就是數(shù)據(jù)量太大?！?Peterson說。
由于數(shù)據(jù)是實時傳送，有時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可能無法處理過于復雜的閃電。當這種情況發(fā)生時，系統(tǒng)算法會將閃電分割成一系列的簡要說明數(shù)據(jù)。之后，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)會將分段的閃電標記為降級數(shù)據(jù)，因此許多研究人員在分析過程中會將其舍棄。
2018年，大約有4%的數(shù)據(jù)屬于這種情況，相當于1440萬起閃電事件?；蛘呔拖馪eterson說的那樣，“基本上被丟棄的閃電與上一代衛(wèi)星整個任務期間發(fā)現(xiàn)的閃電一樣多?！?/p>
Peterson的自動化數(shù)據(jù)處理方法將分割的閃電片段重新拼接起來。結果就是發(fā)現(xiàn)了極其復雜的蜘蛛閃電。
雖然他發(fā)現(xiàn)的破紀錄閃電仍需要聯(lián)合國世界氣象組織的官方認證，但這兩道閃電基本上都是過去紀錄的兩倍左右。2007年，一道長達320公里的閃電劃過俄克拉荷馬州的上空；2012年，一道持續(xù)7.74秒的閃電照亮了法國南部的天空。
未來展望
美國國家海洋和大氣管理局強烈風暴實驗室的物理科學家Edward Mansell說：“初看起來，研究者真正發(fā)現(xiàn)了實際數(shù)據(jù)流中沒有完全體現(xiàn)出來的規(guī)律，真的很令我印象深刻。”
Calhoun對此表示贊同，他指出，最新的研究充分表明風暴多么活躍。不過，她也警告說，判斷閃電是單個發(fā)生的，還是連續(xù)發(fā)生的，是一件棘手的事情。她解釋說，閃電在移動過程中，會儲存一些電荷，進而導致電場改變，并經(jīng)常會產(chǎn)生二次閃電。緊接著，一個小閃電就會在天空中蔓延。
“如果你通過像地球靜止軌道閃電成像儀這樣的光學傳感器觀察閃電，就無法看出二者之間的差別?！彼f。
地面觀測系統(tǒng)，比如識別之前破紀錄的閃電識別系統(tǒng)，可監(jiān)測一大片天空中的輻射情況，并繪制出高分辨率的三維閃電圖。不過，Peterson說，這類系統(tǒng)的觀測范圍比衛(wèi)星更有限。將上述兩種方法的結合起來，有可能是研究閃電結構和物理學的最佳方式。
盡管如此，最新的研究不僅提供了一個機會，來探究大量傳回地球卻未被利用的數(shù)據(jù)，還提出了有關閃電安全的重要問題。
Peterson指出，這些巨型閃電通常會在在地面上的人認為風暴已經(jīng)平息之后到達?？赡芤呀?jīng)不再下雨了，或許閃電已經(jīng)停止了。不過，片刻之后一只蜘蛛般的野獸可能會突然竄過天空，在幾秒鐘內(nèi)穿越不同的州。
Calhoun補充說，了解風暴云的反復無常至關重要?！凹词箾]有看到閃電出現(xiàn)，你頭頂?shù)纳峡找部赡苓M行著大量活動?！?/p>
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