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閃電 （紅色精靈） 春雷已響，萬物復甦，夏天一到，閃電打雷的機會比春天更多，特別是夏天的午後雷陣雨，常淋得路人濕漉漉，而閃電也常使得電力中斷、建築物毀損。閃電形成的原因是雲層的正電荷與地面的負電荷形成通路，引發強烈電流弧閃，然而你可能不知道，在強烈的閃電發生時，雲層上面有時也會發生一種特殊的紅色閃電，這種往上的紅色閃電是最近才被發現的，這種發生在雷雨正上方的現象稱為Terrestrial gamma-ray flashes(or TGFs)又稱為紅色精靈(Red Sprite)，發生時間極短，並且會發出能量極高的Gamma射線噴流，形成原因不明，目前科學家正利用人造衛星進行全球性的監視，希望對這種現象多所了解。
什麼是『紅色精靈』？ 『紅色精靈』是1989年才被發現的一種自然奇景。它是在雷雨雲向地面閃電後幾毫秒之內，在雲層頂端與電離層之間，離地面約30～90公里的高空中，引起一種發光現象。由於這些發光體的顏色是紅色的，而且在空中出現的時間通常不到三十分之一秒，非常短暫，有如鬼魅一般難以捉摸，所以就有科學家稱它們為『紅色精靈(Red Sprite)』。蘿蔔狀與柱狀是紅色精靈的主要兩種型態，約佔80％以上；而且，大部分的紅色精靈都是成群出現的。典型的蘿蔔狀紅色精靈，高度約50公里，寬度約5~10公里。它的上半部為紅色，底部則漸漸轉變為藍色。柱狀的紅色精靈，它的長度約10～15公里，寬度小於1公里。 典型的蘿蔔狀紅色精靈
台灣也可以到紅色精靈嗎？ 一對蘿蔔狀紅色精靈 一群柱紅紅色精靈 一群蘿蔔狀紅色精靈 成功大學物理系所組成的「高空大氣閃電影像儀」(Imager of Sprite : Upper Atmosphere Lightning，簡稱為ISUAL) 科學團隊，在5月1日凌晨，從阿里山氣象站往大陸廣東方向，以高感度的CCD攝影機拍攝得40個紅色精靈的影像。這些影像是在亞洲地區所捕捉到的第一批紅色精靈。
中華衛星二號成功大學科學團隊於2001年6月從成大校園物理系館樓頂攝得此紅色精靈影像。此紅色精靈影像為攝於大城市之首次記錄。
照片中的前景是玉山北峰，山後的亮光是由花蓮外海(約150km遠)的閃電所造成，而這一群紅色精靈就是由這個閃電所引發的一種高空短暫發光現象。他們最高可達90km的高空，最低的高度約為30km。左邊的背景星為天鵝座，右邊的亮星為牛郎星。照片中的前景是玉山北峰，山後的亮光是由花蓮外海(約150km遠)的閃電所造成，而這一群紅色精靈就是由這個閃電所引發的一種高空短暫發光現象。他們最高可達90km的高空，最低的高度約為30km。左邊的背景星為天鵝座，右邊的亮星為牛郎星。
發生在2001年5月1日凌晨的紅色精靈事件 (動畫，播放速度1/30秒)。
藍色噴流 『藍色噴流』(Blue Jet) 是一種局限在低於40公里大氣層中的一種現象，並且較難觀測，圖4所示的是藍色噴流的彩色照片。由照片中可以看出噴流放出深藍色的光茫，這種光線無法輕易的穿過厚重的大氣層底部，因此要觀測這種現象必須要位於底部大氣層之上。
1994年Sentman 和 Wescott第一次記錄到『藍色噴流』這種怪異的現象，他們是藉由飛機在高空中飛越強烈的風暴之上，由高靈敏度的照像機所拍得(如圖5)。由這些照片可以得知這種光以秒速120公里自雲層頂端向上噴出，目前研究學者們正致力於找出可完整的解釋其成因的理論。
成大團隊在2002年7月22日所記錄的 樹狀(左)與蘿蔔狀(右)巨大噴流。噴流頂端寬度約有40公里，噴流發光體所佔的體積有三萬立方公里，相當於一百億座大型游泳池的容積。
淘氣精靈 (ELVES) 淘氣精靈就如同紅色精靈一樣，是一種由閃電所引發的高空發光的現象，它具有火紅色、向外擴張的圈圈餅形狀。其成因是雲對地閃電所發出的電磁脈衝 (electromagnatic pulse)，傳遞到電離層的底部後，加熱該處的分子並使它們發出紅色輝光。更精確地說，這種強烈的電磁脈衝是以雲對地閃電為中心，以光速傳遞的電波(如圖6所示)。當這個電磁脈衝向上傳遞的部分(圓殼部分)傳到約為75至100公里的高度時，電磁波的電場加速電子，這些被加速後的電子會撞擊空氣分子並將其提昇至可以發光的激發狀態。因而產生了以球殼和臨界層之交點為軸心，向外擴張的圈圈狀光環。
如何觀測紅色精靈？ 由於紅色精靈相當暗（最亮的部分時，差不多等於夜空中的三等星），而且稍縱即逝，不易觀測。因此，必須以微光攝影機，對準有閃電的雷雨雲層上方，『守株待兔』般地長時間觀測錄影。從高山觀測會比從平地觀測，受大氣的干擾較少，而從太空觀測更幾乎可以不受大氣的影響。中華衛星二號將是世界上第一個用來觀測紅色精靈的人造衛星，也有助於我們瞭解紅色精靈的全球分佈情形。 從高山或太空中觀測紅色精靈可以免受大氣的影響
從太空中觀測紅色精靈－中華衛星二號的科學酬載從太空中觀測紅色精靈－中華衛星二號的科學酬載 中華衛星二號的科學任務觀測紅色精靈 「高空大氣閃電影像儀」是中華衛星二號的重要科學酬載，科學任務為： (1)以紫外線波段來探索紅色精靈的未知現象。(2)確定紅色精靈的動態演變情形及頻譜變化，以解開紅色精靈發生之謎。 (3) 確認發生紅色精靈時大氣的離子化程度，以了解在地球上的高能量γ-ray是如何產生的。(4)建立紅色精靈、大氣輝光及極光的全球分佈情形的數據資料庫。放置於衛星上的儀器設備有：CCD影像儀，光譜光度儀，陣列式光度儀。
中華衛星二號為地球遙測應用衛星。 重量：742公斤左右（含酬載及燃料）。 形狀尺寸：六角柱形，高2.4米，外徑約1.6米（太陽電能板未展開時）。 軌道：891公里高，太陽同步軌道，每日通過台灣上空二次。 遙測對地解析度：黑白影像2公尺，彩色影像8公尺。 任務壽命：5年以上。 發射日期：民國93年5月21日(台北時間)。 ▲ 中華衛星二號主要構成元件
▲ 電子控制器 ▲ 陣列式光度計 ▲ 窄頻光度計 ▲ CCD影像儀
華衛二號首次拍攝到紅色精靈 華衛二號 (ROCSAT-2) 高空大氣閃電影像儀(ISUAL) 於七月四日首次成功的在菲律賓與非洲大陸觀測到高空大氣發光現象，包含了紅色精靈(Red Sprite)、精靈光暈(Sprite Halo)、淘氣精靈(Elves)與大氣輝光(Airglow)。
由成功大學蘇漢宗教授帶領的『紅色精靈研究團隊』於2002年七月22日夜間針對一個發生在南海呂宋島西方的海洋性雷雨雲進行觀測，架設在墾丁鵝鑾鼻的相機，拍攝到五個發生在雷雨雲與電離層之間的巨大噴流(gigantic jets)。他們認為這些巨大噴流是介於紅色精靈(red sprites)與藍色噴流(blue jets)之間的一種高空閃電。同時他們也記錄到其中四個巨大噴流發生時有極低頻電波(Extremely-low-frequency radio wave, ELF)產生，當時並沒有任何雲對地(cloud-to-ground, CG)閃電發生，TOGA閃電偵測網的紀錄中也沒有CGs的蹤影。因此證實這些ELF是由雲對電離層的放電現象造成。 目前已知地球大域電流(global electrical circuit)的幾個主要環節包括：雷雨雲、電離層、遠處向下傳送的晴空電流及地球。雷雨雲的主要功能是產生及維持地面與電離層的電位差。相反的，巨大噴流會中和電離層中的電荷，減低電離層與地面的電位差。他們的觀測結果證實了目前的地球大域電流應該要加入這些直接連結電離層（距地面約90公里高）與雷雨雲（距地面約16公里高）的巨大噴流。 巨大噴流的生命期約在400~650豪秒之間。分成三個階段：leading jet, fully developed jet及trailing jet。Leading jet的形成及演化和Pasko et al.觀測到的藍色噴流(Sciscape新聞：地球科學：發現超大的藍色噴流)很像，但傳送的速度快了有一個數量級，與一般常見的發生在CG中的步進導閃(stepped leaders)相當。中間的fully developed jet則表現出紅色精靈與藍色噴流的混和特徵。這個階段相當於CG中的回擊(return stroke)。每一次巨大噴流的發生可中和電離層中約30庫侖的電荷。
到2003年為止，科學家所發現的高空短暫發光現象有紅色精靈 (Red Sprites)、藍色噴流 (Bule Jet)、淘氣精靈 (ELVES; Emmision of Light and Very Low Frequency Perturbations From Electro-magnetic Pulse Sources)、以及在2002年夏天由成大物理系紅色精靈研究團隊所發現的巨大噴流(Gigantic jets)等，它們都是伴隨著雷雨雲的高空發光現象。 近一個世紀以來，有許許多多來自於飛行員、地面觀察者的報告，皆指出有奇怪的、如閃電般的閃光自雲端向上射出。由於此一現象發生於高空且持續發光的時間極短，通常短於十分之一秒，難以取得直接的證據，以至科學界無法作系統化的分析。直到1989年(R. D. Franz, R. J. Nemzek and J. R. Winckler, 1990)終於以低光度的攝影機拍攝到這種高空大氣發光現象。在1990年初，太空梭上的攝影機也拍到20多幅相關的影像。從此之後藉著攝影機的幫助，從不同的觀測平台如太空梭、飛機及地面觀測站等等，拍攝到成千上萬的紅色精靈和其他高空發光事件的影像。藉由這些觀測到的事件，我們了解到這種閃電般的發光現象不止局限在較低的大氣層，甚至在高於雷雲上方90公里處的高空中亦可能發生。
『紅色精靈』是一種通常由正雲對地閃電(positive cloud-to-ground lightning strokes)，在雲層頂所誘發的高空巨大紅色閃光。這一現象首先由Minnesota大學Winckler教授的研究群以低光度攝影機紀錄下來(R. D. Franz, R. J. Nemzek and J. R. Winckler, 1990)，從此之後，許多的研究團體對這種奇特的現象感到興趣，並設法提出這種自然現象背後的可能機制，成為一個熱門的研究課題。藉由美國太空總署的研究噴射飛機之協助，第一個彩色『紅色精靈』的照片是由阿拉斯加大學Sentman教授所領導的紅色精靈研究團隊(sprites research team)於1994年所攝得。
一般閃電是源自帶著負電荷的雲層底部，並向下落至地表。 偶而，閃電是源自雲層頂端積蓄的大量正電荷，因此閃電發生後，電離層(Ionospere)和雲層頂有著很強大的電場，因此吸引著電子向上移動。在移動的過程中會和氣體分子碰撞，如果產生的電場夠強而且周圍的空氣夠稀薄，在和空氣分子撞擊之前，電子可以獲得相當高的能量，當電子撞擊空氣分子，會把它們撞到激發狀態，讓分子發出輝光，產生紅色精靈這種高空短暫發光現象。理論上，這種現象發生於40至90公里的高空中。 最亮的紅色精靈人類的肉眼就可以看見，但長久以來並不為人們所知，追究其原因在於它是發生在極端明亮的雲對地閃電之後，因此上述的現象並不會特別引起科學家們的注意。 紅色精靈發光的時間通常持續不到三十分之一秒，亮度通常也不很明亮，出現的機會相當低，因此，科學家必須使用高感度的攝影機，持續對雷雨雲的上空錄影，才能紀錄到這種高空短暫發光現象。紅色精靈微弱的亮光和短暫的持續時間，造成研究上的困難，即使如此，在經短短十幾年的觀測期間，科學家在全球各地已經記錄了將近一萬個事件，對紅色精靈的了解已有重大的成就。
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美國阿拉斯加大學Wescott教授等人，1994年在飛機上拍到的藍色噴流美國阿拉斯加大學Wescott教授等人，1994年在飛機上拍到的藍色噴流 美國阿拉斯加大學Sentman教授等人，1994年在飛機上拍到的紅色精靈
紅色精靈 第一個彩色紅色精靈影像
巨大噴流 成大團隊在2002年7月22日所記錄的 樹狀(左)與蘿蔔狀(右)巨大噴流。噴流頂端寬度約有40公里，噴流發光體所佔的體積有三萬立方公里，相當於一百億座大型游泳池的容積。
