紅色精靈（紅色 sprite），是一種發(fā)生于閃電放電活躍的雷暴云上空的中高層大氣瞬態(tài)發(fā)光現(xiàn)象，屬自然現(xiàn)象。
紅色精靈從形態(tài)上可以分為水母形、胡蘿卜形和束形。紅色精靈通常由中尺度對(duì)流系統(tǒng)層狀云降水區(qū)內(nèi)的強(qiáng)地閃回?fù)舢a(chǎn)生，是對(duì)流層和中間層之間的一種能量耦合過程，是該地區(qū)成熟雷暴中對(duì)流減弱的一個(gè)信號(hào)。每一次發(fā)生時(shí)的大小和形狀迥異，有像柱狀流星一樣劃過天空，也有像深海巨怪觸手條條伸展。但無論是什么形狀，都比普通閃電看起來更大，通常會(huì)在高空中跨越50到90公里。此外，紅色精靈難以捕捉。在理想條件下，紅色精靈產(chǎn)生的短暫光輻射很容易被低光度相機(jī)捕捉到，甚至能被人眼觀察到；但大多數(shù)情況下，光線在傳輸過程中發(fā)生了衰減，紅色精靈很容易藏在普通閃電的身后，或是湮滅在城市的燈光中，往往很難發(fā)現(xiàn)“紅色精靈”閃電。因具有淡紅色毛發(fā)狀結(jié)構(gòu)的頭部和藍(lán)色尾須而得名紅色精靈。
紅色精靈因?yàn)槌霈F(xiàn)的位置不定，出現(xiàn)時(shí)間十分短暫，20世紀(jì)90年代就被人們關(guān)注到；2017年左右，出現(xiàn)紅色精靈高清記錄。2022年5月19日，中國兩位“90后”攝影師在西藏自治區(qū)的喜馬拉雅山脈拍攝到罕見的“紅色精靈”閃電群。2023年8月13日，中國星空攝影師拍攝英仙座流星雨時(shí)意外拍到“紅色精靈”閃電，在空中出現(xiàn)時(shí)間不到1/30秒。2025年5月31日至6月1日，中國攝影師在西藏山南拍到紅色精靈閃電。
形成原理
閃電的發(fā)生一般伴隨著空氣的強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)，在空氣的對(duì)流作用下，云團(tuán)里的小水滴會(huì)從上、下兩個(gè)方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)、相互摩擦。在相互摩擦的過程中，小水滴丟失電子會(huì)形成正電荷，得到電荷則會(huì)形成負(fù)電荷，如此會(huì)使云層成為帶電云。
紅色精靈是發(fā)生在雷暴云上空的一種大尺度瞬態(tài)放電發(fā)光現(xiàn)象，它們通常出現(xiàn)在地面上空40～90 km 之間，是由地閃回?fù)艉碗S后可能存在的連續(xù)電流產(chǎn)生的。
正電荷通常集中在云團(tuán)上部，負(fù)電荷在下部，由于空氣存在一定的絕緣強(qiáng)度，所以云朵上、下層將會(huì)存在一定的電壓。當(dāng)上、下電荷積累得越來越多的時(shí)候，電位差達(dá)到臨界擊穿電壓，空氣的絕緣能力無法抑制住正負(fù)電荷的相互吸引，正負(fù)電荷相互劇烈碰撞并迅速中和，在此過程中，云層間的空氣發(fā)生擊穿，產(chǎn)生閃電，伴隨著耀眼的光芒。其中，精靈閃電是在距離地面30到80千米的大氣層中存在向上噴流現(xiàn)象，從云層之上出現(xiàn)并向外層空間延伸，維持時(shí)間通常不到1秒，顏色變化也多樣，因此又被稱為瞬態(tài)發(fā)光事件（Transient Luminous Events，TLEs）。大部分精靈閃電由強(qiáng)雷電引發(fā)，其發(fā)光區(qū)域呈現(xiàn)柱狀、束狀、環(huán)狀、水母狀等等，顏色一般為紅色。
發(fā)現(xiàn)歷程
1730年，德國歷史學(xué)家約翰·格奧爾格·埃斯特（Johann Georg Estor）就記載了雷暴雨以上的短暫發(fā)光現(xiàn)象。
1886年以前，人們就記錄過“紅色精靈”。雖然它非常大，但持續(xù)時(shí)間卻比普通閃電短，以至于很長(zhǎng)一段時(shí)間，都被認(rèn)為是人類的幻覺。從1886 年開始，便有零星的飛行員目擊者報(bào)告：在高空飛行中觀察到了奇異的紅色閃光。但從第一次世界大戰(zhàn)到之后的幾十年間，這類報(bào)告都被認(rèn)為是飛行員的恐懼造成的幻覺。1925年，諾貝爾獎(jiǎng)得主查爾斯·威爾遜早就提出，理論上高層大氣可能會(huì)發(fā)生電擊穿。20世紀(jì)50年代，科學(xué)家從飛機(jī)上觀測(cè)到紅色閃電并對(duì)其進(jìn)行了初步物理學(xué)描述，它才進(jìn)入科學(xué)研究領(lǐng)域。
1989年7月5日，美國明尼蘇達(dá)大學(xué)的科學(xué)家通過高靈敏度成像設(shè)備拍攝到了第一張“紅色精靈”照片，是一張黑白照片。
1994 年，美國阿拉斯加大學(xué)的研究人員利用萬米高空中的飛機(jī)，通過高速微光攝像機(jī)和圖像增強(qiáng)器，首次在雷雨云上方獲得了紅色精靈的彩色圖像。從圖像上可以看到，這巨大的紅色精靈主要分成三部分：最上方的光暈分布在88 到95 公里的高空中，中間部分的紅色發(fā)光體分布在66 到74 公里，下方的卷須分布在40 到60 公里，而且這片閃光并不似肉眼可見的通體為紅色，其上部是紅色，向下轉(zhuǎn)為紫色，最后卻變成了藍(lán)色。因其捉摸不定的特征，于1995年正式將這種中高層放電現(xiàn)象命名為紅色精靈。
2016年，颶風(fēng)“馬修”路過過加勒比海時(shí)，人們也觀測(cè)到了紅色精靈。
2015年，宇航員在國際空間站發(fā)現(xiàn)紅色精靈。
特征
形狀
紅色精靈從形態(tài)上可以分為水母形、胡蘿卜形和束形。紅色精靈根據(jù)發(fā)光位置以及形態(tài)的差異可以被分為幾種不同的種類，其中以圓柱狀和胡蘿卜狀最為常見。圓柱型紅色精靈整體上呈圓柱體，其全體顏色差異并不明顯，只在頂部與底部有些許卷須;而胡蘿卜型紅色精靈的中部有一個(gè)明顯的發(fā)光中心，頂部有分叉且底部卷須顯著。另外，Y型、焰火狀等紅色精靈也被發(fā)現(xiàn)，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)所謂的舞蹈狀紅色精靈。
顏色
紅色精靈上半部是紅色，底部則漸漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)色，主要是紅色。最明亮的區(qū)域位于65~75km高度范圍，之上通常為微弱的紅光或以掃帚狀的結(jié)構(gòu)伸展到約90km高度。明亮的紅色區(qū)域之下，藍(lán)色卷絲狀的結(jié)構(gòu)通常向下伸展至40km高度。紅色精靈極少單獨(dú)出現(xiàn)，通常兩個(gè)、三個(gè)或多個(gè)成群出現(xiàn)。一些非常大的情況，看起來像有很多單個(gè)的紅色精靈緊緊地?cái)D成了一團(tuán)。其他情況松散得多，水平范圍可跨越50km或更大，在大氣中占據(jù)超過10000立方千米的范圍。
范圍
紅色精靈寬度約在五到十公里內(nèi)，可持續(xù)約十到一百毫秒，如同閃電般轉(zhuǎn)瞬即逝。由于這些發(fā)光體的顏色是紅色，且在空中出現(xiàn)的時(shí)間不到三十分之一秒。
亮度
根據(jù)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，紅色精靈的亮度可達(dá)幾百兆瑞利，持續(xù)時(shí)間從幾毫秒到幾百毫秒。
出現(xiàn)頻率
研究表明，全球每天能產(chǎn)生數(shù)千次紅色精靈。
觀測(cè)方式
普通閃電出現(xiàn)的持續(xù)時(shí)間在幾百到幾十毫秒之間，紅色精靈的持續(xù)時(shí)間不會(huì)超過1毫秒。這也導(dǎo)致很難被捕捉，要采用超高速相機(jī)才能夠清晰“看見”。
各地案例
研究?jī)r(jià)值
紅色精靈可能通過釋放大量輻射能量和改變大氣中氮氧化物的含量，對(duì)大氣層結(jié)構(gòu)和組成產(chǎn)生影響。這對(duì)于人們理解大氣環(huán)境和氣候的變化非常重要。通過研究紅色精靈，人們可以更好地了解它們?nèi)绾闻c大氣相互作用，從而更好地預(yù)測(cè)和解釋氣候變化等現(xiàn)象。
其次，紅色精靈的研究可以加深人們對(duì)閃電對(duì)臨近空間的安全影響的認(rèn)識(shí)。了解紅色精靈的形成機(jī)制和行為可以幫助人們更好地預(yù)測(cè)和防范雷擊、電磁干擾等問題，為臨近空間的活動(dòng)提供保障和安全性。
此外，對(duì)紅色精靈的研究還可以為未來臨近空間資源開發(fā)提供幫助。臨近空間被認(rèn)為是未來資源開發(fā)和探索的重要領(lǐng)域，了解紅色精靈的性質(zhì)和特征可以為相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家和工程師提供寶貴的信息和指導(dǎo)，助力他們搶占臨近空間的戰(zhàn)略高地。
衍生現(xiàn)象
根據(jù)光輻射的特征和其發(fā)生形態(tài)位置的不同，人們將已發(fā)現(xiàn)的中高層大氣放電現(xiàn)象（閃電精靈）歸為四類：
激發(fā)于大約70千米的高度，由電離層快速向下發(fā)展的紅色精靈（紅色 sprite）；
（2）由閃電激發(fā)的，發(fā)生于低電離層85～95 千米高度，水平擴(kuò)展可以達(dá)到200～600 千米的淘氣精靈（Emissio of Light and Very Low 頻率 perturbatios due to Electromagnetic Pulse Sources, Elves）；
（3）速度相對(duì)較慢，約為100 km s-1，發(fā)展的最大高度約在40～50 千米，由雷暴云頂部向上發(fā)展的藍(lán)色噴流（藍(lán)色 jet）；
（4）由強(qiáng)烈的雷暴云頂部一直延伸到大約70～90 千米的高度，由云頂向電離層快速向上發(fā)展的巨大噴流（gigantic jet）。
科學(xué)研究
紅色精靈（Redsprite）是中高層大氣瞬態(tài)發(fā)光事件（Transient Luminous Events, TLEs）是發(fā)生于雷暴云頂平流層以及中間層（50～95 km）的一種大尺度的瞬態(tài)發(fā)光事件，是由電離層快速向下發(fā)展而成。其中最早也是最容易觀測(cè)到的中高層大氣放電現(xiàn)象則是紅色精靈。
此外，精靈有時(shí)候也會(huì)被誤稱為“高層大氣閃電”，它們是一種缺乏對(duì)流層閃電高溫的冷等離子體現(xiàn)象，類似于熒光燈管放電而不是閃電放電。閃電是持續(xù)時(shí)間很短但是電壓很強(qiáng)的電流，而紅色精靈通常很弱，持續(xù)時(shí)間不會(huì)超過幾秒鐘。
2006年2月22日，《地球物理研究快報(bào)》中，杜克大學(xué)的電氣工程師坎默和同事們描述了精靈產(chǎn)生的具體過程。高速視頻紀(jì)錄體現(xiàn)，當(dāng)紅色精靈掀開時(shí)，粗柱和細(xì)帶以高于閃電的速率向上或向下轉(zhuǎn)達(dá)并且產(chǎn)生分支，起爆點(diǎn)通常位于海拔80或90公里的高中層。要從這些起爆點(diǎn)抵達(dá)平流層，最少要下降30公里。
安全相關(guān)
有人則擔(dān)心，這種雷雨云之上的高層大氣放電現(xiàn)象，會(huì)威脅到航空器的飛行安全。對(duì)于這種擔(dān)憂，人們很難給出準(zhǔn)確的說法。這類自然現(xiàn)象尚處于科研階段，仍需不斷收集、整理相關(guān)數(shù)據(jù)和資料。還沒有充分的證據(jù)，證明某次事故、故障是由它造成的。至于其對(duì)人類產(chǎn)生的其他影響，也仍需要進(jìn)一步的科學(xué)研究論證。
參考資料 >
紅色精靈.中國數(shù)字科技館.2023-11-19
“紅色精靈”閃電驚艷全網(wǎng)!它是怎么形成的?.上觀新聞.2023-11-19
西藏驚現(xiàn)超罕見精靈閃電，魔幻世界也就這樣了吧！.北京科學(xué)中心.2023-11-19
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