——记中国科学院大气物理研究所副研究员杨静
　　
本刊记者  王 军

　　
　　
　　1989年，在一个稀疏平常的日子里，美国一位摄影爱好者Franz，照例进行着每天的活动：摄影。当他在调试一架微光摄像机时，却无意中拍下了发生在250km之外的雷暴云上方的放电现象，这是人类第一次记录到中高层闪电。Franz的这一伟大发现于1990年在Science上公布于众，顿时在科学界引起了巨大轰动。美国、澳大利亚以及欧洲各国相继加入到观测中高层闪电的大军中。Franz的发现后来被证明是中高层闪电中的红色精灵（Red sprite）放电现象。
　　中国科学院大气物理研究所副研究员杨静也是众多中高层闪电追踪者中的一员，但从本科到硕士，她一直跟随导师郄秀书研究员从事人工引发雷电方面的研究工作，并没有涉及到中高层闪电。但在探索博士论文研究方向的那段时间，她偶然读到了人类第一次发现中高层闪电的场景，深深被这类大空间尺度放电现象的神秘与壮观所折服，但当时中国大陆有关中高层闪电的观测研究尚无报道，就此，她抱着“雄心壮志”，踏上了静待红色精灵照亮天空之路。
　　
“我选择精灵，精灵也选择了我”
　　
　　众所周知，我们常说的闪电通常发生在雷暴云内或者雷暴云和大地之间。那么，在雷暴云上方是否也会发生放电现象呢？早在1925年，苏格兰物理学家查尔斯·威尔逊就预言在雷暴云顶和低电离层之间存在大气放电现象，他在1956年进一步指出，存在于雷暴云顶和电离层之间的放电很可能是伴随地闪的一个普遍现象。在威尔逊预言前后，已经有许多关于此类放电现象的报道，但只是描述了看到的图像，并没有留下科学记录。由于缺少观测事实，几十年来这一直都是一个不解之谜。直到1989年Franz在美国中北部明尼苏达州的一次偶然摄影才取得了这类现象的直接观测证据。1995年阿拉斯加大学的科学家根据这种现象的颜色和其捉摸不定的特征，正式将这种放电命名为Red sprite（红色精灵）。杨静整天与这些“小精灵”为伴，但“小精灵”的脾气古怪，要想“抓到”它们并不容易。长达十年的探索让杨静逐渐摸清了“精灵”的秉性，在中高层大气放电事件、雷电物理过程及电磁辐射效应方面的研究中取得了重要进展。
　　中高层闪电出现在雷暴云上方，发生区域在雷暴云顶和低电离层之间。要获取完整的中高层闪电图像，需要在距离雷暴百公里之外进行观测。由于观测距离远，光在大气传输过程中会产生衰减，因此，观测条件十分苛刻。
　　虽然困难重重，但在看到美国、日本、南非等国以及中国台湾都有对中高层放电现象的记录后，杨静就想：我国大陆是否也有中高层放电现象存在呢？带着这个疑问，杨静团队自主集成了中高层放电微光观测系统，系统于2007年率先在地处华北平原的山东“试水”，并于同年首次获取了我国大陆地区雷暴上方中高层放电的观测事实，此研究结果也被作为《科学通报》中英文版的封面文章发表，长达两个多月的人工手动通宵观测试验终于有了回报。百尺竿头更进一步，2010年杨静对系统进行了改造：由原来的手动升级为自动观测，同时还实现了远程控制。现在，她再也不用像最初开展观测试验时那样深更半夜一个人爬梯子到农民的屋顶上去调整观测设备了，而是坐在电脑桌前，遥控全国各地的探测设备进行观测。
　　据悉，中高层放电形式多样，巨大喷流是目前已经发现的垂直尺度最大的一种中高层放电形式。但由于巨大喷流的光辐射以蓝光为主，与其他光源相比，蓝光在传输中衰减极为严重，很难在地面被记录到。杨静却排除万难，首次获得了我国大陆地区清晰的巨大喷流放电图像。
　　至于雷电物理过程及电磁辐射效应方面的研究，杨静也“乐此不疲”。她考虑了滤波和噪声抑制，选用高速运算放大器做积分电路，采用同轴电缆做天线和信号传输，研制了近距离雷电磁场定量测量系统。系统经多次测试表现出的稳定性也被众多科研工作者所称赞。
　　杨静所在的研究团队于2005年起，在山东地区进行人工引发雷电试验（Shandong Artificially Triggering Lightning Experiment，SHATLE）方面的工作。杨静通过对实验获取的数据进行研究后获得了灵感：她对闪电通道底部电流和近距离磁场特征进行了统计分析，并利用数值模拟方法研究了各种闪电放电参量对近距离磁场的影响。
　　对雷电的挑战还在继续。杨静还利用观测数据和数值模拟方法，研究了闪电回击在水平导体中产生的感应电压。模拟结果表明：感应电压会随回击速度、导体高度的增加而增加。《物理学报》也对其研究成果进行了报道。“说到人工引发闪电，实际上是在一定雷暴天气条件下，向雷暴云发射一个拖带细长导线的小火箭从而引发雷电的专门技术，我们在人工引雷试验中进行了闪电产生地电位的观测，我就是基于这项测量开展了进一步的研究工作。”杨静解释道。
　　
破解神秘“红色精灵”
　　
　　“发生在雷雨云上方的放电现象多种多样，巨大喷流、蓝色喷流、淘气精灵，还包括我们在国家自然科学基金青年项目‘Red sprites地基光学观测及其产生机理研究’中所涉及到的红色精灵。”杨静介绍。
　　其实，从1989年至今，科学家对产生“红色精灵”雷暴特征的分析研究已经有了一些进展，但对产生“红色精灵”雷暴的动力热力微物理结构却很少提及，更不要说对没有产生“红色精灵”的雷暴进行报道了。
　　针对这个问题，杨静先发制人，主动利用多种探测手段对产生多次“红色精灵”的雷暴“出击”，并且还与产生较少甚至没有产生“红色精灵”的雷暴进行了对比。“我们发现，‘红色精灵’常出现在雷达回波为15至35dBZ的雷暴区域上方。更有意思的是，产生‘红色精灵’最多的雷暴的闪电活动特征与没有产生‘红色精灵’雷暴的闪电活动特征极为相似。”
　　有了研究的陪伴，杨静就更愿意把时间花在与项目结合上。目前，她正在开展中高层大气放电“光-电”同步观测以及基于多光谱和宽频段电磁探测对中高层闪电的研究工作，据悉，已经取得了多项显著成果。在项目立项前，杨静已经注意到与正极性“红色精灵”相比，负极性“红色精灵”的出现寥寥无几。为此，她根据获取的第一手观测资料，首次对我国大陆地区负极性“红色精灵”进行了研究，并得到了一些新认识：在研究的5例“红色精灵”中有两例为负极性，其他为正极性，负极性“红色精灵”所占比例远高于已有的理论预测和试验观测结果。值得一提的是，两次负极性红色精灵发生的时间差大约是2.66分钟，但位置却完全相同。“这就表明第一次‘红色精灵’为第二次‘红色精灵’的发生奠定了条件，而且，第二次负极性‘红色精灵’发生前有两次负回击出现，峰值电流分别为-39.7kA和-40.9kA，说明在合适的条件下，负极性‘红色精灵’的产生不一定需要特别大的峰值电流。”杨静解释道。
　　这就是杨静的静待‘红色精灵’之路，坚持而又卓越，执着而又睿智。她对“红色精灵”的探秘还在继续，也正在转战到雷电新的研究方向上。十几年来，杨静始终在科研之路上坚持不懈，对她而言，这条闪电攻关之路，仍然很长。