中國北京，2024年2月21日訊 —— 閃電發生的過程極其復雜，目前仍存在很多謎團。在美國北卡羅來納州杜克大學任職的Cummer教授及其團隊試圖揭開這層神秘的面紗。閃電經常發生在不透明的云層中，使其成因變得更加神秘。值得慶幸的是，閃光發生時能夠在UHF和VHF頻率范圍內產生無線電波，這就為研究人員研究閃電帶來了極大的便利。然而，在閃電發生前和發生時有大量的數據需要被處理和記錄，這也為研究人員的工作帶來了巨大的挑戰。因此，科學家們選擇了Spectrum儀器提供的ADC卡來解決這一棘手的問題。Cummer教授及其團隊的主要研究目的是了解閃電的成因，避免其對建筑物造成損壞。與此同時，研究人員還希望通過此次研究，了解氣候變化是否會導致雷暴天氣數量的變化。
杜克大學電子與計算機工程教授Steven A. Cummer表示:“幾年前，還沒有一款儀器能夠獲取和處理如此大體量的數據。在活躍的雷暴天氣，我們通常每小時記錄的數據都在1TB以上。因而，我們在記錄設備中使用了兩個Spectrum儀器提供的4通道M4i.4451-x8數字化儀卡。這兩個設備是通過Spectrum儀器的Star-Hub連接，使我們能夠同時從八個天線記錄數據。Star-Hub能夠實現數據的完美同步，這對我們使用天線構建干涉儀至關重要。通過不同天線發出信號之間的微小時差，我們就可以計算出每次閃電時間的位置，最遠可達到50公里。這些ADC卡每個通道的采樣率都可達到500MS/s，方便我們收集所需的數據，14位分辨率也能確保我們獲取全部的微弱信號。”
兩個完全同步的M4i.4451-x8被應用于閃電研究
閃電發生前的重要一秒
Cummer教授研究的一部分集中在閃電剛剛開始前和之后的時刻。閃電一旦形成，它的結構就很容易被了解。這是一個長達數百米的熱電離氣體的傳導通道。他解釋道：“我們所面臨的挑戰是如何在閃電開始之前獲取數據。如果只依靠閃電的光學數據，幾乎不可能獲得事件發生前的數據。但是現在，我們可以通過Spectrum儀器的設置獲得閃電發生前的數據。卡片能夠持續記錄數據，對于不需要的數據則會被新的記錄所覆蓋。閃電事件是一個觸發器，它不僅能夠記錄事件下一秒的數據，還能保留事件發生前一秒的數據。因為這些數據一直被記錄在內存卡中，除非事件被觸發，否則這些數據不會被存儲下來。每張卡的內存高達2GS，存儲空間足以為我們捕捉到每秒幾百兆的信號樣本，并將它寫在SDD上。完成后，系統會迅速重置以記錄下一個閃電事件的數據。這對于從暴風雨中獲取數據至關重要，因為閃電每隔幾秒就會出現，并持續幾小時。”
Cummer教授表示他是通過Spectrum儀器提供的SBench6測試軟件來實現對這個8通道系統的控制和編程。他補充道：“整個過程非常簡單，在研究項目我們也無需從頭開始創建特殊的軟件程序。”
站在八個接收天線其中之一前的Cummer教授
閃電伽馬輻射
Cummer教授及其團隊所研究的另一謎團是為什么有些閃電事件會產生高能伽馬輻射，而有些則不會。這種情況大約是在30年前被發現的。衛星上的伽馬射線探測器接收到了來自地球的信號，而科學家們原本以為這些信號只能來自外太空。雷暴中的伽馬射線是在閃電開始時產生的。因此，在這個研究項目中獲得的事件前數據，將幫助物理學家們理解這種伽馬射線的產生。
閃電分析案例
帶有天線的8通道系統雖然能夠自由移動，但該系統目前的使用地點被固定在了位于達勒姆的杜克大學。在2019年4月12日21時24分40秒（UTC），這里的閃電分析被記錄下來。值得注意的是，整個閃電發生在風暴云中，因此只能看到漫射云。但是，通過VHF無線電測量獲取了下圖所示的完整結構。得益于方位角和仰角，天空中的每個位置都清晰可見。閃電的時間順序可以在視頻鏈接 （https://spectrum-instrumentation.com/videos/lightning.mp4）中的48秒視頻中看到。該視頻慢動作播放了持續1秒的閃電。視頻中的每個點都是從閃電中檢測和定位的不同射電源。當所有這些點一起顯示時，這些點清晰的勾勒出了閃電事件的空間和時間結構。
Steven Cummer教授與Yunjiao Pu博士有關深入分析閃電事件的論文，請點擊此處。
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