中國北京，2024年2月21日訊 —— 閃電發(fā)生的過(guò)程極其復雜，目前仍存在很多謎團。在美國北卡羅來(lái)納州杜克大學(xué)任職的Cummer教授及其團隊試圖揭開(kāi)這層神秘的面紗。閃電經(jīng)常發(fā)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(fā)生時(shí)能夠在UHF和VHF頻率范圍內產(chǎn)生無(wú)線(xiàn)電波，這就為研究人員研究閃電帶來(lái)了極大的便利。然而，在閃電發(fā)生前和發(fā)生時(shí)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(lái)了巨大的挑戰。因此，科學(xué)家們選擇了Spectrum儀器提供的ADC卡來(lái)解決這一棘手的問(wèn)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(shí)，研究人員還希望通過(guò)此次研究，了解氣候變化是否會(huì )導致雷暴天氣數量的變化。
杜克大學(xué)電子與計算機工程教授Steven A. Cummer表示:“幾年前，還沒(méi)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(shí)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(gè)Spectrum儀器提供的4通道M4i.4451-x8數字化儀卡。這兩個(gè)設備是通過(guò)Spectrum儀器的Star-Hub連接，使我們能夠同時(shí)從八個(gè)天線(xiàn)記錄數據。Star-Hub能夠實(shí)現數據的完美同步，這對我們使用天線(xiàn)構建干涉儀至關(guān)重要。通過(guò)不同天線(xiàn)發(fā)出信號之間的微小時(shí)差，我們就可以計算出每次閃電時(shí)間的位置，最遠可達到50公里。這些ADC卡每個(gè)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?！?/p>
兩個(gè)完全同步的M4i.4451-x8被應用于閃電研究
閃電發(fā)生前的重要一秒
Cummer教授研究的一部分集中在閃電剛剛開(kāi)始前和之后的時(shí)刻。閃電一旦形成，它的結構就很容易被了解。這是一個(gè)長(cháng)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(kāi)始之前獲取數據。如果只依靠閃電的光學(xué)數據，幾乎不可能獲得事件發(fā)生前的數據。但是現在，我們可以通過(guò)Spectrum儀器的設置獲得閃電發(fā)生前的數據?？ㄆ軌虺掷m記錄數據，對于不需要的數據則會(huì )被新的記錄所覆蓋。閃電事件是一個(gè)觸發(fā)器，它不僅能夠記錄事件下一秒的數據，還能保留事件發(fā)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(fā)，否則這些數據不會(huì )被存儲下來(lái)。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(xiě)在SDD上。完成后，系統會(huì )迅速重置以記錄下一個(gè)閃電事件的數據。這對于從暴風(fēng)雨中獲取數據至關(guān)重要，因為閃電每隔幾秒就會(huì )出現，并持續幾小時(shí)?！?/p>
Cummer教授表示他是通過(guò)Spectrum儀器提供的SBench6測試軟件來(lái)實(shí)現對這個(gè)8通道系統的控制和編程。他補充道：“整個(gè)過(guò)程非常簡(jiǎn)單，在研究項目我們也無(wú)需從頭開(kāi)始創(chuàng )建特殊的軟件程序?！?/p>
站在八個(gè)接收天線(xiàn)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(huì )產(chǎn)生高能伽馬輻射，而有些則不會(huì )。這種情況大約是在30年前被發(fā)現的。衛星上的伽馬射線(xiàn)探測器接收到了來(lái)自地球的信號，而科學(xué)家們原本以為這些信號只能來(lái)自外太空。雷暴中的伽馬射線(xiàn)是在閃電開(kāi)始時(shí)產(chǎn)生的。因此，在這個(gè)研究項目中獲得的事件前數據，將幫助物理學(xué)家們理解這種伽馬射線(xiàn)的產(chǎn)生。
閃電分析案例
帶有天線(xiàn)的8通道系統雖然能夠自由移動(dòng)，但該系統目前的使用地點(diǎn)被固定在了位于達勒姆的杜克大學(xué)。在2019年4月12日21時(shí)24分40秒（UTC），這里的閃電分析被記錄下來(lái)。值得注意的是，整個(gè)閃電發(fā)生在風(fēng)暴云中，因此只能看到漫射云。但是，通過(guò)VHF無(wú)線(xiàn)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(gè)位置都清晰可見(jiàn)。閃電的時(shí)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(dòng)作播放了持續1秒的閃電。視頻中的每個(gè)點(diǎn)都是從閃電中檢測和定位的不同射電源。當所有這些點(diǎn)一起顯示時(shí)，這些點(diǎn)清晰的勾勒出了閃電事件的空間和時(shí)間結構。
Steven Cummer教授與Yunjiao Pu博士有關(guān)深入分析閃電事件的論文，請點(diǎn)擊此處。
關(guān)于Spectrum儀器
Spectrum儀器公司成立于1989年，采用獨特的模塊化理念設計和生產(chǎn)了200余款數字化儀和發(fā)生器產(chǎn)品，其中包括PC卡（PCIe和PXIe）以及獨立的以太網(wǎng)設備（LXI）。在過(guò)去30年間，Spectrum的客戶(hù)遍布全球，旗下產(chǎn)品也被用于眾多行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)和知名大學(xué)。Spectrum儀器總部位于德國漢堡附近，旗下產(chǎn)品均享受5年質(zhì)保以及來(lái)自工程師團隊的卓越服務(wù)。更多詳情，請訪(fǎng)問(wèn)公司官網(wǎng)www.spectrum-instrumentation.com
