Discovery of a New Class of Optical Discharges in the Lower Atmosphere

雷暴是自然界中最强大的引擎之一，不断产生闪电、无线电波和从天而降的高能粒子流。几十年来，科学家们一直知道这些风暴会在地面附近产生强烈的电场，其强度足以将电子加速到接近光速。当这些高速运动的电子撞击空气分子时，会产生闪光现象，研究人员多年来一直在研究这一现象。然而，低层大气——即人类居住和呼吸的云底下方空间——仍然是一个神秘的前沿领域。虽然风暴的上层结构已被很好地绘制，但云底与地面之间那层薄薄的间隙中电力的具体行为方式在很大程度上仍未被探索，这使得我们在理解风暴如何开始、如何释放能量以及它们如何可能触发我们从远处看到的巨大闪电方面存在认知空白。

来自亚拉加茨研究站（Aragats research station）的一个研究小组，该研究站在位于亚美尼亚的一处火山高原上，现在揭开了这一谜团的一层。通过使用一套同步的摄像机、电场传感器和粒子探测器观察天空，他们发现了一类隐藏在众目睽睽之下的新型光学放电现象。这些既不是击中地面的那种熟悉的、锯齿状的闪电，也不是有时在云层上方看到的微弱、广泛的光辉。相反，该团队识别出了两种直接出现在雷雨云下方的蓝紫色光，并且他们发现，光的类型完全取决于地面上方电场的方向。

这一发现的过程是通过位于海拔3200米的亚拉加茨站的摄像机和传感器的视角展开的。在这里，地面经常被雪覆盖，空气稀薄，但真正的戏剧发生在风暴云漂移得很低、有时就在距离站点的仪器仅20到100米处悬停的时候。在2024年至2026年期间的几次强风暴事件中，研究人员观察到天空如何根据正在起作用的无形电场力量改变其行为。他们发现，当地面附近的电场指向向上时——一种被称为正电场的情况——天空会亮起紧凑、分离的蓝紫色光斑。这些发光的点看起来像是孤立的能量结，有时呈拉长状，悬浮在空中。它们清晰、锐利，并似乎悬浮在特定的高度，大约在站点上方50到65米处。

形成鲜明对比的是，当地面附近的电场翻转为向下指向时——即负电场——光的性质发生了彻底改变。那些锐利的、孤立的光斑消失了，取而代之的是一种弥漫的、朦胧的光辉，似乎填满了整个摄像机视野。这种光不是一个单一的点，而是一个扩散的、丝状的网络，看起来像是一个从地面向外蔓延的柔软、发光的云团。研究人员观察到，这些弥漫的光辉通常似乎起源于研究站自身的结构，如金属桅杆、天线和电缆，这些结构充当了电力的焦点。光线从这些接地物体向外分支，创造出一种巨大的、模糊的照明，可以覆盖天空的很大一部分。

为了准确了解这些光是从哪里产生的，团队使用了一种名为立体视觉（stereoscopy）的技术，其原理类似于人类的双目视觉。通过使用三个间隔开的摄像机从不同角度观察同一个事件，他们可以计算出发光物体的精确高度。结果非常明确：在正电场期间看到的紧凑型蓝紫色光斑确实是升高的，悬浮在地面与云底之间的空中。然而，在负电场期间看到的弥散光辉却无法被定位到一个单一的点。这种无法进行三角定位的现象并非测量错误；相反，它证实了这些光辉不是单一物体，而是从地面向上扩散的广泛放电。

研究人员还追踪了高能粒子和无线电信号的行为，以拼凑出完整的图景。他们发现，在正电场期间出现的紧凑光斑在无线电发射方面相对安静。这种沉默表明，它们很可能是“流注”（streamers）的可视头部，流注是能在空气中自我传播的电离前沿。这些流注被认为是电气击穿的初始步骤，即那些最终可能成长为完整闪电的微小火花。流注头部出现在云层与地面之间的间隙，表明风暴的内部电结构正在向下延伸，建立起一座电离空气的桥梁。

相反，在负电场期间出现的弥漫光辉伴随着强烈、快速的无线电信号爆发。这种无线电噪声表明这是一个混乱、高能的过程，涉及许多同时发生的微小放电，这与“电晕”（corona）放电的行为一致。当电场在尖锐物体（如金属桅杆的顶端）处如此强大时，就会发生电晕现象，它会撕裂空气分子中的电子，创造出一个发光的、电离的鞘层。研究人员得出结论，当地面附近的电场为负时，风暴会将这些放电驱动到研究站的结构中，从而产生填满天空的大规模、模糊的光辉。

其中一项最重要的发现是，这两种类型的光可以在同一次风暴中出现，且仅间隔几分钟，因为地面附近的电场在前后反复切换。团队观察了2025年5月29日的一场风暴，随着电场反转，天空迅速从紧凑、分离的光斑过渡到大规模的弥漫光辉。这种快速切换证明，光的类型并非由天气条件或云层的厚度决定，而是严格取决于电场的极性。当电场指向一个方向时，风暴产生悬浮的流注头；当电场指向另一个方向时，它则触发了接地的电晕放电。

该研究还阐明了这些光学闪光与风暴产生的高能粒子之间的关系。虽然研究人员此前曾观察到风暴期间的伽马射线和电子爆发，但他们发现，这些粒子爆发在两种电场类型期间都可能发生。这意味着地面附近的电场并不能说明高空风暴发生的全部情况。地面附近的电场更像是观察风暴下层结构的一个窗口，展示了电力在底部的排列方式，而不是决定整个风暴的行为。例如，在正电场期间看到的紧凑型蓝紫色光斑并不是某种特定粒子（如研究人员曾希望的那样）正电子的证据，而是特定电场配置下流注活动的迹象。

通过将这些光学观测与电场、粒子计数和无线电波的测量相结合，研究人员建立了一种诊断雷暴健康状况和结构的新方法。他们表明，低层大气不是一个被动的舞台，而是风暴生命周期中的积极参与者。地面附近的电场决定了风暴是产生悬浮的、紧凑的火花，还是产生弥漫的、接地的光辉。这一发现为科学家观察电气放电如何形成和演化开启了一个新窗口，为这些始于低层大气的微小、无形的流注如何最终成长为定义雷暴的巨大闪电提供了线索。这项工作表明，通过仅仅观察云下光的颜色和形状，并结合电场方向，科学家现在可以区分不同的基本放电过程，将以前令人困惑的各种天空光辉转化为一张清晰、可理解的大气电学图谱。