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科研進展

2021年11月18日
中國科大在雷暴云頂向上放電及圈層耦合方面取得重要進展

近日(ri),愛游戲app雷(lei)久侯、祝寶友和陸高(gao)鵬教授(shou)團隊(dui)在雷(lei)暴云頂(ding)向上放(fang)電及多(duo)圈層(ceng)耦合(he)方面取得重要進展。他們基于(yu)自主發展的(de)(de)地基閃電觀(guan)(guan)測(ce)陣列(lie),結合(he)國際空(kong)間站搭(da)載的(de)(de)高(gao)時空(kong)分辨率光學(xue)(xue)觀(guan)(guan)測(ce)資料, 首次揭示(shi)了雷(lei)暴云頂(ding)放(fang)電的(de)(de)光學(xue)(xue)特征及其誘發的(de)(de)低電離層(ceng)擾動特征,提(ti)出了利用天(tian)電信號(hao)來探(tan)測(ce)雷(lei)暴云頂(ding)放(fang)電現象(xiang)和研究中(zhong)高(gao)層(ceng)大氣耦合(he)的(de)(de)新思路。相(xiang)關研究成(cheng)果于(yu)11月(yue)17日(ri)以“Optical emissions associated with narrow bipolar events from thunderstorm clouds penetrating into the stratosphere”為題發表(biao)于(yu)國際學(xue)(xue)術期刊《自然(ran)·通訊(xun)》上[Nature Communication, 12,6631 (2021)]。

對(dui)流(liu)(liu)層(ceng)閃電(dian)(dian)可(ke)以在(zai)臨近(jin)空間(jian)區(qu)域(20-100 km)誘發(fa)絢麗(li)的(de)中高層(ceng)大(da)氣(qi)(qi)放電(dian)(dian)現象(如圖1所示), 根據其始(shi)發(fa)位置不同(tong)可(ke)以分為雷(lei)暴(bao)云頂(ding)型(xing)(藍色噴(pen)流(liu)(liu)和(he)巨大(da)噴(pen)流(liu)(liu)等)和(he)低(di)電(dian)(dian)離(li)層(ceng)型(xing)(紅環(huan)和(he)紅色精(jing)靈)。作(zuo)為對(dui)流(liu)(liu)層(ceng)向中高層(ceng)大(da)氣(qi)(qi)區(qu)域物質和(he)能量(liang)注入的(de)重(zhong)要(yao)一(yi)環(huan), 在(zai)電(dian)(dian)離(li)層(ceng)-雷(lei)暴(bao)-晴天大(da)氣(qi)(qi)構成的(de)全球電(dian)(dian)路中扮演著重(zhong)要(yao)角色, 了解(jie)雷(lei)暴(bao)如何直接(jie)影(ying)響中高層(ceng)大(da)氣(qi)(qi)和(he)電(dian)(dian)離(li)層(ceng)區(qu)域,對(dui)認(ren)識地球不同(tong)圈(quan)層(ceng)之(zhi)間(jian)的(de)耦合過程具有重(zhong)要(yao)意(yi)義。

圖1 中高層大氣放電現象(http://spaceweathergallery.com/)

已(yi)有大量觀測(ce)表(biao)明低(di)電(dian)(dian)離(li)層(ceng)(ceng)型(xing)放(fang)(fang)電(dian)(dian)主要(yao)是(shi)由對(dui)(dui)流層(ceng)(ceng)內強閃電(dian)(dian)產(chan)生的(de)電(dian)(dian)場激發(fa), 導致低(di)電(dian)(dian)離(li)層(ceng)(ceng)區(qu)域中性(xing)分(fen)子的(de)電(dian)(dian)離(li)和擊穿效應。雷(lei)暴(bao)云頂型(xing)放(fang)(fang)電(dian)(dian)通常(chang)始發(fa)于雷(lei)暴(bao)過沖(chong)云頂和平(ping)(ping)流層(ceng)(ceng)區(qu)域, 會顯著影響對(dui)(dui)流層(ceng)(ceng)頂附近(jin)的(de)溫室氣體(ti)含(han)量, 同(tong)時(shi)這一區(qu)域對(dui)(dui)水汽變化最為(wei)敏(min)感, 作為(wei)氣候系統中最重要(yao)的(de)反饋之一,決定了(le)地球(qiu)大氣中長波紅(hong)外輻射的(de)收支平(ping)(ping)衡(heng)。然(ran)而(er), 受限于傳統觀測(ce)手段,缺(que)乏高時(shi)空分(fen)辨率的(de)立體(ti)協同(tong)觀測(ce)資料,愛游戲體(ti)育app下載(zai)其現象學(xue)特(te)征的(de)認識嚴重不足, 在學(xue)術界仍(reng)然(ran)存在諸(zhu)多爭議(yi)問題。

研究團(tuan)隊基(ji)于(yu)(yu)自主研發(fa)(fa)(fa)的(de)(de)混合長基(ji)線(xian)天電陣(zhen)列(lie), 結合搭載(zai)在(zai)國際空(kong)間站上的(de)(de)大氣-空(kong)間相互作用(yong)光(guang)學探(tan)測器(ASIM), 對雷暴過(guo)境(jing)期間發(fa)(fa)(fa)生(sheng)在(zai)我國華南地區的(de)(de)強雷暴過(guo)程進行(xing)分(fen)析(xi),首(shou)次(ci)發(fa)(fa)(fa)現了一類特殊(shu)的(de)(de)云頂放電信(xin)號(hao)負極性NBE總是伴隨著藍(lan)色(se)337 nm光(guang)譜輻射,但不伴隨著普(pu)通(tong)閃(shan)電的(de)(de)777.4 nm輻射(圖2), 這一明顯區別(bie)(bie)于(yu)(yu)普(pu)通(tong)閃(shan)電的(de)(de)光(guang)學特征表明NBE獨特的(de)(de)流光(guang)發(fa)(fa)(fa)展特性, 糾正了長期以來學術界愛游戲體育app下載(zai)NBE放電不發(fa)(fa)(fa)光(guang)的(de)(de)傳統認知(zhi), 為利用(yong)空(kong)間光(guang)學手(shou)段(duan)評估閃(shan)電類型和(he)監測強對流提供了有力判別(bie)(bie)依(yi)據。通(tong)過(guo)對負NBE電信(xin)號(hao)及其(qi)伴隨的(de)(de)藍(lan)色(se)光(guang)譜信(xin)號(hao)進一步(bu)分(fen)析(xi), 發(fa)(fa)(fa)現NBE峰值(zhi)電流強度和(he)藍(lan)色(se)光(guang)學信(xin)號(hao)峰值(zhi)緊密相關, 提供了基(ji)于(yu)(yu)地基(ji)電場信(xin)號(hao)來遙感云頂放電現象的(de)(de)新探(tan)測思路。

圖2云頂放電事件光譜成像以及伴隨的負極性NBE電場波形

研究(jiu)工(gong)作得到了審稿人的高度評(ping)價(jia), 認(ren)為(wei)(wei)該工(gong)作對解決困擾閃電(dian)(dian)領域長(chang)久以來(lai)的科學問題和學科發展具有重(zhong)要意義:“This is a good paper which reports new results addressing a long-standing puzzle in lightning science. The observations of emissions from the tops of thunderclouds is not only impressive but is also tremendously important for the research”, 展現了混(hun)合(he)長(chang)基(ji)線(xian)天(tian)電(dian)(dian)陣(zhen)列對雷暴云頂細微放電(dian)(dian)的強(qiang)大(da)探測(ce)能力(li)。經過十余(yu)年的自主發展和技(ji)術(shu)革新,混(hun)合(he)長(chang)基(ji)線(xian)天(tian)電(dian)(dian)陣(zhen)列已發展成(cheng)為(wei)(wei)強(qiang)對流(liu)天(tian)氣及其中(zhong)高層(ceng)大(da)氣效應的實時探測(ce)平臺,并(bing)成(cheng)為(wei)(wei)歐空(kong)(kong)局ASIM項(xiang)目(mu)亞太地區唯一(yi)合(he)作的地基(ji)驗證(zheng)平臺。隨著(zhu)我國(guo)空(kong)(kong)間站建(jian)設日益推進(jin),本項(xiang)工(gong)作可為(wei)(wei)將(jiang)來(lai)自主搭(da)載空(kong)(kong)間載荷探測(ce)對流(liu)層(ceng)放電(dian)(dian)現象(xiang)及圈層(ceng)耦合(he)奠定基(ji)礎。

論文第一作(zuo)者(zhe)是愛(ai)游(you)戲(xi)app博士后(hou)劉(liu)非凡, 通訊作(zuo)者(zhe)是愛(ai)游(you)戲(xi)app雷久侯教授(shou)(shou)和祝寶友副教授(shou)(shou),合(he)作(zuo)者(zhe)包括愛(ai)游(you)戲(xi)app陸高鵬教授(shou)(shou), 中國氣象(xiang)科(ke)學研究(jiu)院(yuan)呂(lv)偉濤研究(jiu)員和歐空局ASIM項目負責人Torsten Neubert教授(shou)(shou)等。該研究(jiu)獲得(de)了科(ke)技部重(zhong)點(dian)研發計(ji)(ji)劃、中科(ke)院(yuan)穩定支持基礎研究(jiu)領域青年(nian)團隊(dui)計(ji)(ji)劃、子午(wu)工程高端用戶培(pei)育項目、中科(ke)院(yuan)B類(lei)先導、國家自然科(ke)學基金委重(zhong)點(dian)等項目的資助。

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(地球和空(kong)間(jian)科學學院、科研部)