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如 何 破 解 闪 电 五 连 鞭

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天下武功,唯快不破。

闪电如此之快,想要研究它的产生演化过程自然十分困难。但是有了射电望远镜,我们就能对闪电进行全息成像!

如此一来,何惧闪电五连鞭哉!

众所周知,闪电很快,瞬间击穿大气形成闪耀的电弧。

正是因为闪电太快,单次闪电发生的时间尺度是0.1s,所以想要研究闪电的产生演化过程是一件非常困难的事情。

常规的研究手段是使用照相机去拍照,进行光学成像,光学成像可以给出亚毫秒(10^-3s)级别的时间分辨率,如下是7000 fps拍摄的动态闪电中的一帧


可以看到在如此高的时间分辨率下,能看到的还是一个“线”而不是“点”。

而且,使用成像方法给出的闪电发生过程是二维的,无从得知闪电间断发展增长的三维空间位置。

所以

作为科学家的甲方,现在给做闪电观测的乙方提出要求:

(1)为了看清闪电尖端发展过程,毫秒级别不大行,我要高时间分辨率:微秒(10^-6s)级别是至少的;

(2)空间分辨率得够,闪电直径~10m,成像空间分辨率1m得有吧;

(3)为了了解闪电走势和发展,成像最好是3维的(也就是全息)。

乙方听了甲方爸爸的要求,没有拿起菜刀而是号召一群工程师和科学家给出了一个完美的解决方案:使用射电望远镜阵列来观测。


从原理上来说就是闪电的生长过程中末端放电会产生低频无线电脉冲(30MHz~300MHz),这种无线电脉冲相比于光学波段有很好的离散性(只有尖端产生无线电闪烁)。

这种无线电闪烁可以被天文射电望远镜观测到。

天文射电望远镜看闪电

天文射电望远镜看闪电听起来有点“迫击炮打苍蝇”。

一个设计来为探测百万光年外的微小射电涨落的天文射电望远镜,来测几十公里内的闪电。

这次提到的射电望远镜是欧洲的Low Frequency Array 低频射电阵(LOFAR),阵列包含2.5万个天线单元。(如图为一个天线单元)


这些天线记录射电辐射到达的相位来对射电源的位置进行估计。

上面提到,为了观测闪电,甲方科学家给乙方提的要求是微秒级别的成像时间分辨率,为了相干成像,需要记录纳秒级别的时序强度信号。而纳秒级别的采样强度每个天线单元每秒钟可以产生100MB~1GB数据,整个阵列就是~1TB/s,这个数据生产速度远远超过目前了传输和存储的能力。

对于这个问题,工程师给出一个折中的解决方案,反正闪电时间也短,我们数据就先不回传到超算,先放到采集卡上,所以就有了给天线加缓存池的方案【The LOFAR phased array telescope system】:


在数据采集卡上挂几根内存条,记录数据的时候就以队列的形式循环写入。


每记录新的一帧就删除最旧的一帧,这样保持所有天线单元背后的采集卡上都有最新几秒钟的新鲜数据。

数据采集卡连接一个触发器,当闪电过了的时候触发器锁住缓存,缓存池里就是闪电经过这一小段时间的数据,示例数据如下图所示,时间分辨率5ns,200个采样:


只把每个单元的这一小段时间的数据回传并存储,因为观测已经停了,所以这一小段数据可以慢慢传回超算,并存下来,进行接下来的求互相关成像的工作。

成像原理类似相干成像,在笔者之前这一篇推送里写过。

最终可以实现的时间分辨率是平均每微秒记录一个脉冲,使用一个闪电过程中记录的所有脉冲可以完整的重现出闪电生长的整个过程。

闪电在放电过程中会电离空气形成一个等离子体通道网络,伸展出带有正电和负电的末端。


而这次使用射电望远镜给闪电全息成像的课题中发现,带正电和带负电的等离子体通道末端在闪电发生期间的行为有所不同。通过对于放电末端的成像发现了一种针状结构,指向垂直于通道的方向,长约100 m,直径小于5 m。该工作的作者们认为,正离子通道的电荷在单闪期间不会完全放电,而是一部分电荷通过针头返回雷云。然后,存储的电荷可能会引发进一步的放电。这似乎是可以解释为什么雷电不能像长时间以来那样立即放电,而是可以在几秒钟内闪击几次。

当玩摄影的高端玩家发了Nature.jpg

该工作发表在nature letter上

【Needle-like structures discovered on positively charged lightning branches】


你呢

END

参考资料及图片来源:

【High-speed camera captures amazing lightning flash:https://www.eurekalert.org/pub_releases/2016-05/fiot-hcc052416.php 】

■ 作者:张沛锦

■ 美编:刘俞伶


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