当前位置:首页>百科>气象>掀起你的盖头来,让我来看看你的“颜” ——闪电也能“五颜六色”吗
热门搜索:

掀起你的盖头来,让我来看看你的“颜” ——闪电也能“五颜六色”吗

2024-03-01·111 浏览

掀起你的盖头来,让我来看看你的“颜” ——闪电也能“五颜六色”吗

提及闪电,想到的总是它那“石火光中闪电飞”的速度和“列缺霹雳,丘峦崩摧”的力量,它是天空的骄傲和尊严,那惊天动地的呐喊总能把乌云劈得粉碎。九夏销来闪电光,夏季的闪电,常是多而长的,人们一边惊叹闪电的力量,一边不免提出疑问,寻求科学的解释:闪电,究竟是什么颜色的?


闪电霞光的“物理性”

我们知道“颜色”是人眼对不同波长光的感觉。复色光经过(如棱镜、光栅)分光后,按波长(或频率)的大小依次排列的图案。例如,太阳光经过三棱镜或水滴的折射,会分成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫7种按次序连续分布的彩色光谱。7种颜色光波的波长不同,红色到紫色,相应于波长由390~770纳米的区域,是为人眼所能感觉的可见部分。红光波长,紫光波短,红端之外为波长更长的红外光,紫端之外则为波长更短的紫外光,都不能为肉眼所觉察,但能用仪器记录。可见光谱没有精确的范围,一般人的眼睛可以感知的电磁波的波长在400~760纳米之间,红色范围约为625~740纳米,橙色为约590~625纳米,黄色约为565~570纳米,绿色约为 500~565纳米,蓝、靛色约为440~485纳米,紫色约为380~440纳米。

闪电放电过程具有非常大的瞬间峰值能量,回击电流峰值高达几千安培,大电流可以将闪电放电通道瞬间加热到数万度的峰值温度,大气中的各种分子、原子被瞬间分解电离,使得闪电通道产生大量的光辐射,波长范围覆盖X射线、紫外、可见光、红外等区域。由于闪电辐射光谱包含整个可见光波段。因此,我们看到闪电的颜色可以是红色、蓝色、紫色等各种颜色。

闪电的颜色主要与闪电的能量及主要成份有关。能量较高的闪电可以激发相对较多的短波段光谱,使得闪电呈现紫色、蓝色。


一次能量较强的闪电。左图为闪电通道及原始光谱,右图为某一高度处光谱,光谱中氮离子波长为404.1纳米、407.5纳米等谱线最强

如果闪电能量较低,则激发较多的近红外波段光谱,整个闪电呈现红色。


一次能量较低的闪电,左图为闪电通道及原始光谱,右图为某一高度处光谱,氮原子波长为648.43纳米、氢原子波长为656.3纳米的谱线较强

闪电虽然看上去时间很短,但实际上闪电也有一个上升衰减过程,初始阶段闪电能量高,颜色可能是紫色、蓝色,进入衰减阶段则是红色,而且红色持续时间要长。例如氧原子波长为777.4 纳米的谱线因为持续时间长、亮度强,成为卫星雷电光学探测的首选谱线。下图给出随时间的增加(时间分辨率20微秒),闪电的光谱在短波段衰减,长波段氮原子波长为648.429纳米、氢原子波长为656.3纳米等谱线增强,闪电的颜色由紫色变为红色。


一次远距离拍摄的闪电

闪电活动具有较强的地域性,不同地区闪电的平均能量有差别,激发的闪电波段有差别,因此相同地区的闪电存在某一代表色。例如高原地区大部分闪电能量低于沿海地区,因此如果在相同条件下拍摄闪电(相同相机设置、相同距离等),高原地区拍摄到的偏红色闪电会多于沿海地区。


闪电在远距离传输中大气对光的吸收、散射等都会改变谱线的相对强弱,如果传输距离很远,可能拍摄到近红色闪电。对于菏泽观测到的闪电,因为闪电都是发生在云内,被云内粒子散射之后,长波的红光更容易透出云外,所以看着像红色闪电。


“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30~90千米的高空。红色精灵的光谱(D.L.Hampton《Optical spectral characteristics of sprites》)主要由氮气分子产生,可见段波长主要位于红色范围内。

   “蓝色喷流”是一种局限在低于40公里大气层中的一种放电现象,我们可以推断在它的辐射中440~485纳米的蓝色波段占有较大比重。


“红色精灵”、“蓝色喷流”(《lightning physics and effects》Vladimir A.Rakov)

“圣艾尔摩之火”是古代海员观察到的一种自然现象,经常发生于雷雨中,在如船只桅杆顶端之类的尖状物上,产生如火焰般的蓝白色闪光。“圣艾尔摩之火”的光谱(E.M. Wescott,D 《The optical spectrum of aircraft St. Elmo's fire》),主要辐射波段在440~485纳米的蓝色波段。


自主多样的“选择性”

闪电的颜色也可以选择。如果喜欢某一种颜色的闪电,可以选择颜色滤光片,它可以精确选择欲通过的小范围波段光波,而吸收掉其他不希望通过的波段。用红外截止滤波片将闪电的可见波段滤掉,则只能拍摄到红色闪电。


红外截止滤波片拍摄的红色闪电

闪电,是大自然的杰作。不同能量、大气成分以及光在远距离传输中的吸收等都可能会改变谱线的相对强弱,所以颜色还真不好说,只能具体情况具体分析。