精靈煙花。安久、董書暢/攝
■本報記者高雅麗
2022年5月19日深夜，青藏高原普莫雍錯湖畔，星空攝影師安久和董書暢的鏡頭捕捉到一場罕見的“天象秀”——上百道紅色光柱從云頂直沖太空，如煙花般在高空綻放。
他們拍攝到的是被稱為“紅色精靈”的中高層大氣放電現象，科學家形象地稱之為地球大氣層的“閃電煙花”。
此次拍到的“紅色精靈”從何而來？將對臨近空間氣象產生哪些影響？近日，中國科學技術大學教授陸高鵬團隊在《大氣科學進展》發表研究成果，確定了兩段觀測視頻中“紅色精靈”的發生時間及誘發它們的母體閃電。審稿專家高度評價了該研究方法的創新性，認為“這一方法為眾多公民、科學家參與科學觀測提供了可靠的校時手段”。
從“偶然發現”到科學突破
“紅色精靈”最早在1886年被預言，直到1989年7月6日，時任美國明尼蘇達大學物理學教授John R. Winckler利用一臺低光度攝影機記錄了一道夜空中跳躍的火焰，才揭開它的神秘面紗。
陸高鵬解釋說，“紅色精靈”這種中高層大氣中的放電現象，是由雷暴強烈的放電活動引發的。這些現象在稀薄的大氣中發生，與低層大氣中的閃電不同，它們可以在持續的電場作用下加速并擊穿空氣，形成壯觀的放電現象。
“這種現象在地球的中高層大氣中很少出現，因為它們需要特定條件才能發生。”陸高鵬說。
這次的“紅色精靈”源于2022年5月19日深夜南亞地區的一個對流云團。對流云團非常濃密，激發了大量雷暴活動。在攝影師拍攝的3個多小時里，“紅色精靈”非常密集，每隔一兩分鐘就會出現一次。不僅有四五個“紅色精靈”同框的時刻，還出現了巨大噴流。
長期以來，“紅色精靈”研究集中于北美大平原等雷暴高發區，在這種認知框架下，南亞地區并不是具備強雷暴發展條件的典型區域。然而，此次發現顛覆了傳統認知。
“大家認為丘陵地貌不利于大尺度雷暴系統的形成，因為對氣流的切割作用會引起能量分散。平原則能夠有效維持氣流的水平輸送與能量聚集，從而更易形成大規模雷暴系統。”陸高鵬說。
陸高鵬團隊分析發現，本次“紅色精靈”母體閃電主要為大峰值電流的正極性地閃，發生在從恒河平原延伸至青藏高原南麓的中尺度對流復合體層狀云降水區。
“這次研究觀測記錄了南亞單次雷暴過程中最多的精靈閃電，表明該地區雷暴具備與美國大平原和歐洲近海雷暴相似的中高層放電能力，甚至能夠孕育出更復雜的放電形態，它們產生的物理化學效應對圈層耦合可能有重要影響。”陸高鵬說。
當愛好者成為“精靈捕手”
這次攝影師拍攝到了上百個“紅色精靈”，其中不少是躍動的“舞蹈精靈”，還有罕見的“次生噴流”，以及亞洲首例夜間電離層底部綠色發光現象“鬼火精靈”。
這些豐富的記錄，為陸高鵬團隊的后續研究提供了完整素材。不過，獲取視頻后，團隊遇到了一個難題——普通相機沒有精準的時間標記，加之相機沒有放平，對于后續的數據分析十分不利。
對此，團隊提出基于衛星軌跡與星場推斷視頻時間的方法。通過分析照片中的衛星軌跡和恒星位置，將愛好者拍攝的無時間標記視頻精確校準至毫秒級，實現了“紅色精靈”與母體閃電的精準匹配。
“我們相當于用星空當鐘表重建了閃電事件的時間坐標系。”陸高鵬表示。
他告訴記者，研究中超過80%的觀測數據都是由民間攝影愛好者提供的。他們在一個名為“精靈閃電觀測”的微信群里分享拍攝到的影像，構成了科研團隊的“分布式觀測網”。
同時，陸高鵬在科研中不僅進行了雷電知識科學普及，還探索出一條特色路徑，將公眾的非結構化數據轉化為科研資產。
攝影師憑借此次拍攝的作品獲得英國格林尼治皇家天文臺主辦的2023年度天文攝影師大賽星野組世界冠軍。這一作品不僅展現了精靈放電的壯觀，也進一步引發了公眾對極端天氣現象的關注。
促進臨近空間氣象發展
“紅色精靈”不僅是壯麗的自然奇觀，還可能對中高層大氣化學環境產生深遠影響，為應對氣候變化、保障航天安全提供全新視角。
“我們關注的不僅僅是這些現象本身，還在于它們對大氣環境的影響，以及與極端天氣事件產生的關聯。”陸高鵬說。
陸高鵬解釋說，中高層大氣放電會產生臭氧，而臭氧在平流層中有益，但在對流層中有害。研究團隊正在探索這些現象是否會導致局域性氣候效應，甚至可能引發災害性天氣。“我們希望通過研究這些現象，為氣象預測和氣候研究提供新視角。”
此外，“紅色精靈”等中高層大氣放電現象還會影響臨近空間氣象環境。伴隨新一代航空器、浮空器和亞軌道航天器等的發展，臨近空間正在成為開展高技術應用和國防安全活動的新領域，運載火箭、人造衛星、載人飛船等航天器以及導彈武器的研究、試驗和應用，都需要臨近空間氣象保障。
陸高鵬告訴記者，臨近空間觀測一直是科學界難題，“浮空氣球飛不上去、衛星沉不下來”使得50至80公里高度上的地球大氣成為人類觀測的盲區。
因此，除了原位測量方法，陸高鵬團隊還提出“光電遙感”解決方案——利用“紅色精靈”的光譜特征，反演高空大氣成分。他們還計劃協同安徽省內其他高校在長江沿岸建成聯合觀測站，利用天文望遠鏡與氣象雷達協同觀測，捕捉“紅色精靈”引發的氮氧化物波動信號。
“我們希望通過光電遙感技術，突破觀測盲區，更好地理解臨近空間的物理和化學過程。”陸高鵬說。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1007/s00376-024-4143-5
《中國科學報》(2025-05-21第4版綜合)本文鏈接：http://www.020gz.com.cn/news-8-4673-0.html青藏高原天空為何驚現“紅色精靈”？
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