红色精灵

高空大气放电现象

红色精灵是一种伴随着雷雨所产生的高空大气放电现象，通常发生在雷雨云云层顶离地面约三十到九十公里的高空。红色精灵上半部是红色，底部则渐渐转变为蓝色，宽度约在五到十公里内，可持续约十到一百毫秒，如同闪电般转瞬即逝。由于这些发光体的颜色是红色，且在空中出现的时间不到三十分之一秒，有如鬼魅一般难以捉摸，所以科学家称它们为“红色精灵”。

研究历史

红色精灵最早是在1886年被发现，但一直没有明确的资料证明与雷暴和闪电的关系。

从1886年最早发现红色精灵到以后的100年间没有任何的文字图像资料证明这种壮观的大气闪光现象形成的原因，直到1989年7月时任明尼苏达综合大学的物理学教授John R.才记录了红色精灵的影象，从此揭开了蒙在红色精灵脸上100多年的神秘面纱。

直到1989年7月6日时任明尼苏达综合大学的物理学教授John R.利用一台低光度摄影机记录了一道跳跃的火焰。在回放时他和他的两名研究生Robert Franz 和 Robert Nemzek惊讶的发现，在图像中有两个巨型的闪光出现于北明尼苏达的天空上。

之后他们很快的证明了红色精灵是在雷云之上的一种特殊的闪电，也揭开了红色精灵近一个世纪的神秘面纱。藉由美国太空总署的研究飞机的协助，第一个彩色“红色精灵”的照片是由阿拉斯加大学Sentman教授所领导的红色精灵研究团队(sprites research team)于1994年所摄得。

产生机理

“红色精灵”是所发现数种由闪电所引发的中高空发光现象之一，其可能的成因简示如下：一般闪电是源自带着负电荷的云层底部，并向下落至地表。

偶尔，闪电是源自云层顶端积蓄的大量正电荷，因此闪电发生后，电离层(ionosphere)和云层顶有着很强大的电场，因此吸引着电子向上移动。在移动的过程中会和气体分子碰撞，如果产生的电场足够强而且周围的空气足够稀薄，在和空气分子撞击之前，电子可以获得相当高的能量，当电子撞击空气分子，会把它们撞到激发状态，让分子发出辉光，产生红色精灵这种高空短暂发光现象。

理论上，这种现象发生于40至90公里的高空中。最亮的红色精灵人类的肉眼就可以看见，但长久以来并不为人们所知，追究其原因在于它是发生在极端明亮的云对地闪电之后，因此上述的现象并不会特别引起科学家们的注意。红色精灵发光的时间通常持续不到三十分之一秒，亮度通常也不很明亮，出现的机会相当低，因此，科学家必须使用高感光度的摄影机，持续对雷雨云的上空录像，才能纪录到这种高空短暂发光现象。

发生实例

蓝色喷流

1994年entman 和 Wescott第一次记录到“蓝色喷流”这种怪异的现象，他们是飞机在高空中飞越强烈的风暴之上，为捕捉红色精灵期间利用高灵敏度的照相机意外拍摄到的。由这些照片可以得知这种闪电以秒速120公里自云层顶端向上喷出，目前研究学者们正致力于找出可完整的解释其成因的理论。

中国影象

2001年5月1日在中国的福建靠近广东的方向由台湾成功大学物理系副教授苏宗汗及软件工程师章展诰在台湾气阿里山气象观测站用高感度的黑白CCD摄影机拍摄得十多个红色精灵的影像，这也是我国当时唯一成功拍摄到的红色精灵的影象。

紧接着在亚洲大陆上空的红色精灵，随后又观测到海洋上空的红色精灵事件，并发现大陆型的红色精灵大都成群出现，而海洋型红色精灵则以单根出现的机率较高，让高空闪电研究学界首次注意海洋和大陆上空的高空闪电特性有所不同，并将高空闪电的研究重心转移到海洋型高空闪电。

此外在2002年成大团队更有震惊世界的发现，7月22日在台湾鹅銮鼻观测时发先了6 例巨大的蓝色喷流，其发生高度从16 公里的云层直到九十公里云顶，这种特殊的自然现象，全世界的科学家到目前为止只记录到六例。而国内目前还没有这方面的资料文献。

成功大学物理系“高空大气闪电影像仪”(Imager of Sprite : Upper Atmosphere Lightning，简称为ISUAL) 太空计画科学团队，4月30 日晚间在气象局阿里山工作站从事红色精灵观测时，在往大陆的福建、广东方向，约600公里远处的一个雷雨系统，以高感度的黑白CCD摄影机拍摄得十多个红色精灵的影像。

这一系列的影像，可说是在台湾拍摄的第一批清晰的红色精灵影像。这些红色精灵是发上在约600公里远处雷雨云的上空，红色精灵发生的瞬间，连阿里山的夜空也为之一亮。

这一批红色精灵影像，是由成功大学物理系副教授苏汉宗及软体工程师章展诰所拍摄的。观测团队的其他成员还包括物理系教授许瑞荣，博士后研究员陈炳志博士，助理李宜蓁，以及大四学生陈小芳与陈秋雯。所用的仪器有Sigma 20mm, f/1.8广角镜头，Watec的WAT-902H微光CCD以及SONY DCR-PC5 DV数位录影机。

在此之前我们曾在中央大学鹿林山天文台经做过三次观测，并无所获；直到4月28日，才由苏汉宗教授带领陈小芳与陈秋雯两位同学这一次才观测得数个红色精灵的事件，但是由于影像品质并不理想，因此在4月30日苏汉宗教授与章展诰先生再度前往阿里山气象站从事观测，终于在5月1日零时起才开始观测到这一系列清晰的红色精灵事件。

2021年5月20日凌晨，中国摄影师在西藏喜马拉雅山脉记录到了红色精灵闪电。

2022年5月19日夜，中国摄影师安久和董书畅在西藏山南普莫雍错湖边记录到了红色精灵烟花秀。

2022年6月19日凌晨，西藏苏日玛附近，中国摄影师捕捉到了罕见的红色精灵闪电。它在空中存在的时间极短，几十分之一秒而已，又被称为瞬态发光事件。加上颜色变化也多样，有红有蓝，所以如鬼魅一般难以捉摸。

欧洲影象

2015年12月，欧洲南方天文台（ESO）的摄影师拍摄到了“红色精灵”的图片。“红色精灵”是在高海拔地区、出现在雷暴上空的一种罕见自然现象。在这张图像的中心，“红色精灵”的卷须似乎正在升起，抵达星光熠熠的夜空。

观测组织

由于红色精灵发生在雷雨云的上空，观测时都会选择在二百至八百公里以外的雷雨云作为观测对象，而且为了避免大气的干扰，观测地点均设置在高山上，且天气必需非常晴朗，如此即可远观云层顶上的大气放电现象，观测的困难度相当高。

国际

国际上已经有超过20 个组织和团体在世界不同的地方研究红色精灵这一现象，除著名的NASA 和明尼苏达大学外位于美国科罗拉多州的Sky-Fire公司在大气物理研究和对红色精灵的研究也卓有成就，Sky-Fire 公司对红色精灵和蓝色喷流有着大量和细致的研究，并且也有专门的人员负责调查和收集世界各地关于红色精灵和蓝色喷流方面的资料。

国外的合作团队主要有美国加州大学柏克莱分校太空科学实验室( Univ. of California, Berkeley; Space Science Laboratory ) S. Mende教授所领导的“UCB团队”；日本东北大学(Tohoku University) H. Fukunishi教授所率领的“TU团队”。

中国

在中国台湾省也有一支由成功大学物理系和其它学术团体组成的红色精灵研究团队，在高空大气闪电的研究方面也有很大的成就。

红色精灵研究团队是在太空计画室主任李罗权教授的督导之下，由计划总主持人成功大学物理系陈志隆教授（负责酬载发展部分）率领的“成大团队”负责科学筹载的发展、测试与系统整合，并建立资料中心与科学探索团队。

“成大团队”的成员包括有成大物理系陈志隆（负责酬载发展部分），许瑞荣（负责科学探索部分），苏汉宗（负责数据中心部分），蔡锦俊（负责酬载测试部分）等四位教授，以及远东技术学院助教授张名辉。尚有由中央大学倪简白教授与叶永烜教授所组成的“中大团队”，以及由陈至信博士与张胜聪博士所组成的“精密仪器中心团队”协同执行整个计划。

研究意义

中国国有关红色精灵研究的背景知识与整个计划的执行情形都会在网络上展示。将来也会定期地继续充实网页的内容。对中国的可预期效益为：

(1)提升我国太空物理研究的世界地位。

(2)建立我国太空光学量测仪器与科学酬载的设计、组装、测试及系统整合能力。

(3)科学酬载的技术可衍生作为民生所用，也可促进科学研究的进步。

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