在地球上層大氣發(fā)生的雷暴對(duì)我們來(lái)說(shuō)一直是個(gè)謎：科學(xué)家并不能夠直接用儀器觀測(cè)到；它們對(duì)探測(cè)氣球來(lái)說(shuō)太高了，然而對(duì)氣象衛(wèi)星來(lái)說(shuō)又太低了。而冒險(xiǎn)者又通常對(duì)在雷暴中飛行或在山頂露營(yíng)等待雷暴此類(lèi)行動(dòng)興趣不大。
不過(guò)，一項(xiàng)在國(guó)際空間站上進(jìn)行的研究即將解決這一尷尬。歐洲航天局（European Space Agency，ESA）的大氣空間相互作用檢測(cè)器（Atmosphere-Space Interactions Monitor， ASIM）由一系列光學(xué)鏡頭，光度計(jì)和一個(gè)裝在空間站外哥倫布實(shí)驗(yàn)艙上的大型 X 和 γ 射線探測(cè)器組成。在最少兩年內(nèi)，它將持續(xù)觀測(cè)雷暴在高層大氣（平流層和中間層）到電離層（空間的邊緣）形成的放電現(xiàn)象。這一觀測(cè)設(shè)備將使得研究雷暴和它們對(duì)地球大氣和氣候的影響成為可能。
由于諸多優(yōu)勢(shì)，空間站將是這項(xiàng)研究的一個(gè)理想的觀測(cè)平臺(tái)：
1）它的近地軌道目前在高度上是人類(lèi)活動(dòng)最接近高層大氣現(xiàn)象的位置。
2）而這個(gè)軌道在地理上又能夠完全覆蓋熱帶和亞熱帶地區(qū)： 盡管此前這些地區(qū)有著最強(qiáng)烈的雷暴，科學(xué)家卻很難開(kāi)展觀測(cè)活動(dòng)。
3）最后，在空間站上能夠觀測(cè)到原本在陸地觀測(cè)會(huì)被大氣吸收部分的光，從而使觀測(cè)更完整。
高層大氣放電被稱為瞬態(tài)發(fā)光現(xiàn)象（TLEs），包括一系列名字源于童話故事的多彩現(xiàn)象：精靈（sprites），淘氣精靈（elves） 和 巨人（giants）。
其中，精靈（Sprites）是中間層被擊穿造成的閃光。藍(lán)色噴流是通過(guò)平流層向上的放電。淘氣精靈（elves， abbr. Emissions of Light and Very Low Frequency Perturbations from Electromagnetic Pulse Sources，電磁脈沖源造成的甚低頻擾動(dòng)與發(fā)光現(xiàn)象，由氮?dú)夥肿蛹ぐl(fā)造成）則是從電離層底部邊緣的電磁脈沖引發(fā)的向外發(fā)散的同心環(huán)。巨人（Giants）是從雷暴頂部到電離層底部的大型擊穿放電現(xiàn)象。地球伽馬射線閃（terrestrial Gamma Ray Flashes，TGFs）是一種在雷暴頂部產(chǎn)生的閃光現(xiàn)象。已有證據(jù)表明，這些現(xiàn)象中一些是由逃逸的電子放電造成。
圖丨由雷暴導(dǎo)致的高層大氣現(xiàn)象。（來(lái)源: DTU Space）
20 世紀(jì) 20 年代， 英國(guó)科學(xué)家威爾森（C.T.R. Wilson） 因?yàn)檠邪l(fā)了能夠觀測(cè)宇宙射線和 X 射線電離輻射的云室（cloud chamber）而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他當(dāng)時(shí)預(yù)測(cè)，放電現(xiàn)象能在雷暴上方的大氣中間層發(fā)生。而雷暴的電場(chǎng)可以加速常規(guī)電子為相對(duì)論電子（當(dāng)電子速度接近光速， 此時(shí)狹義相對(duì)論影響顯現(xiàn)）。由于設(shè)備靈敏度不夠，這一預(yù)測(cè)直到 1993 年 NASA 的康普頓伽馬射線天文臺(tái)觀測(cè)到雷暴上方 X 射線閃光時(shí)才有定論。
在 1990 年，對(duì)精靈（sprite）的觀測(cè)被第一次記錄下來(lái)。此后，科學(xué)家們?cè)诘孛婧涂罩杏^測(cè)過(guò)程中均發(fā)現(xiàn)了大量的雷暴上方的放電現(xiàn)象，而低軌航天器也觀測(cè)到了 X 和伽馬射線輻射。
圖丨在空間站上看到藍(lán)色噴流向上放電 30 km 到達(dá)平流層（來(lái)源: DTU Space, ESA, NASA）
ASIM 對(duì)這些超高海拔、地面難測(cè)的現(xiàn)象進(jìn)行了全面的測(cè)量，來(lái)確定他們的物理原理以及與閃電的關(guān)系。研究也涉及了高空云的形成過(guò)程，并確定了雷暴擾動(dòng)高層大氣的原因。它增進(jìn)了我們對(duì)雷暴對(duì)地球大氣影響的認(rèn)識(shí)，并且有助于改進(jìn)大氣模型和氣象氣候預(yù)測(cè)。
丹麥科技大學(xué)國(guó)家空間研究所的首席研究員 Torsten Neubert 說(shuō)：從高空觀測(cè)能夠讓我們?cè)谘芯窟@些現(xiàn)象時(shí)避開(kāi)云的遮擋。在 ASIM 的幫助下，我們能夠更好的理解高層大氣閃電形成的復(fù)雜過(guò)程。這也是普通閃電形成過(guò)程的一部分。盡管兩種閃電有著不同的外在形式。
研究也有助于探明雷暴對(duì)大氣、電離層和輻射帶的影響，并且能夠監(jiān)測(cè)進(jìn)入地球大氣的流星和他們對(duì)大氣的影響。比如，在雷暴云頂部的藍(lán)色噴流會(huì)改變溫室氣體的濃度，這是雷暴改變平流層的另一種方式。
通過(guò)這個(gè)研究，我們還可以了解雷暴云和平流層中間層的細(xì)微結(jié)構(gòu)，此前我們對(duì)這些所知甚少。Neubert 表示。 基于 2015 年 ESA 宇航員 Andreas Mogensen 在空間站上拍攝的視頻， 科學(xué)家已經(jīng)對(duì)造成此類(lèi)大氣活動(dòng)的云的類(lèi)型掌握了更多信息，并發(fā)現(xiàn)這些閃電源自距地面 17 千米高度的云。 這些是對(duì)頂層雷暴云活躍程度的第一個(gè)可靠科研記錄Neubert 補(bǔ)充道。
ASIM 的觀測(cè)也幫助我們更好理解了沙塵暴、城市污染物、森林火災(zāi)和火山對(duì)云的形成和充電的影響，以及暴風(fēng)眼的閃電活動(dòng)與雷暴強(qiáng)度的關(guān)系。
