闪电中的未解之谜

来源：中国数字科技馆

　　我们看到的闪电，是自然界的一种放电现象。它普遍且频繁，每秒大约有100次闪电“袭击”地球;它壮观且危险，每年世界各地都有很多人受到闪电的伤害。对科学家来说，探索闪电不仅危险而且困难重重。

放电现象

　　据说在1752年的一天，电闪雷鸣，一场暴风雨就要来了。美国科学家本杰明·富兰克林尝试将一把金属钥匙挂在风筝的线上，风筝飞向高空后，一道闪电掠过，富兰克林赶紧用手靠近那把钥匙，立即看到了飞溅的火花。

　　其实，这种放电现象，在家中卧室也能看到。当我们走过地毯时，鞋底和地毯之间的摩擦把带负电荷的电子，通过鞋底从地毯上收集起来，使得我们的身体带负电。尽管这些电荷总量微不足道，但是在短距离内，它的确可产生非常大的电场。

　　如果这时用手指触摸金属门把手，在两者快要接近时，由于尖端效应，电场强度可达到300万伏每米以上。300万伏每米是空气击穿临界值。如此强大的电场导致电子加速飞行，途中碰到其他原子时，又会碰撞出更多新的电子，从而增加了空气的导电性，形成微弱的电流，与此同时，我们会感到有点疼。

　　和门把手的放电原理一样，摩擦也是雷暴中放电的根源。当然，雷暴中受到摩擦的不是地毯，而是冰晶。摩擦使冰晶中的电子逃出，受强劲的上升气流的影响，正电荷会在云层顶部逐渐积累起来，而负电荷会降到云层底部，因此在云层的顶部和底部之间形成了电场。当雷暴云中的电场强度变得足够大时，就会产生壮观的放电现象。电子通过空气中的电离通道，奔向最近的正电荷。

　　大家熟悉的闪电是发生在云层与大地之间，其实最常见的闪电是发生在云层与云层之间，电子会从一个云层的底部奔向另一个云层的顶部(正电荷区域)。无论哪种方式，一旦正负电中和，其强烈的爆炸式的电流可使空气温度达到太阳表面温度的5倍以上。

　　但这个过程仍存在着未解的疑点：科学家测量发现，闪电中的电场强度居然比门把手放电时小得多!从1950年起，科学家一直通过高空气球和飞机进入雷暴区，但是从未在云层中观测到300万伏每米的电场强度(也就是门把手放电时的强度)。事实上，他们观测到的电场强度仅是门把手的1/10。这意味着闪电的产生有着特殊的机制，其中包括：“逃逸崩溃”和“快速正电荷击穿”。

逃逸崩溃

　　“逃逸崩溃”理论认为，闪电的形成是受到了外太空某种物质的影响。事实上，每秒钟有数十亿个高能粒子从外太空飞来，并撞击到地球大气层中。大多数情况下，这些高能粒子不被人注意。但是，如果它们在雷暴区中与电子相撞，就会诱发闪电的形成。高能粒子会使得空气分子电离，引起自由电子雪崩式的增加，导致局部电荷密度急剧增大以及电场强度急剧增大。这一现场，科学家称之为“逃逸崩溃”，它在开始时需要的电场强度相对很弱(小于300万伏每米)。

　　但是目前还没有直接证据证明“逃逸崩溃”理论，而且寻找直接证据非常困难。首先，闪电非常地域化，即使在闪电之都(美国佛罗里达州)，平均每年每平方千米也只发生10次闪电。其次，闪电发生的时间与地点几乎不可预测，闪电发生的速度又非常快，因此很难确切测量。就空间而言，我们对闪电的探测范围可能只有几百米;就时间而言，我们可能仅有一毫秒的时间去测量它。

　　除了上述因素，测量雷暴电场也面临挑战——探测设备对电场有干扰。科学家把高空气球或飞机等探测设备送入云层时，就不可避免地从根本上改变了云层自身的环境。例如，探测气球被雷暴击中时，气球附近的电场强度会大大降低。事实上，这一问题已经困扰科学家几十年。

　　因此，如果我们想了解雷暴的中心究竟发生了什么，就必须找到一种远距离的探测方法。幸运的是，我们真的找到了。

　　由于闪电产生时，会产生大量的无线电噪声，于是在20世纪90年代中期，美国物理学家威廉·里森和同事意识到，可以使用全球定位系统(GPS)测量这种噪声，从而精确测量闪电的时间和地点。他们在美国新墨西哥州中部山区建立了16个观测站，构成了闪电测绘阵列，从而构建了雷暴云内闪电的三维图像。2016年，他们利用干涉仪来检测无线电波，同时配备了高速摄像头来捕捉闪电，从而提供了目前最精确的闪电测量数据。

快速正电荷击穿

　　当利用把实验数据和“逃逸崩溃”理论进行对比后，里森团队发现，结果并非完全如预期。他们发现，似乎并不需要外界那些高能粒子的帮忙，藏在云层深处的微小的放电就可以引发闪电。另外，触发闪电的顺序也不像预期的那样从云层的负电荷区域开始，而是恰恰相反。

　　他们认为，问题可能来自云层中的小冰晶。这些小冰晶可能一边带负电，另一边带正电。如果正电荷足够强，就可将附近空气中的电子拉过来(也就是空气电离)，并在小冰晶外制造出另一个正电荷区域，研究人员把这个奇怪的观察结果称为“快速正电荷击穿”。被离子化的空气的正电荷区域，再对更远端的空气或冰晶产生作用，形成新的正电荷区域。

　　也就是说，空气电离从小冰晶的正电荷表面开始，然后呈带状向前发展;带正电的电离区域同时会吸引周围空气中的电子“飞”过来，从而形成电流。因此，一旦小冰晶积累了足够的电荷，就有可能引发闪电。尽管大自然中的这些电流曾经被科学家探测过，但是它们并未成为“闪电诱发者”。里森团队认为，为了更好地理解闪电的微观物理图像，他们需要无线电波探测器等更精确的测量工具。

　　尽管这些问题尚待查清，但这并不意味着“逃逸崩溃”理论是错误的。在云层中测得的场强大小与“逃逸崩溃”理论所需非常吻合，以至于许多人怀疑这仅仅是个巧合。科学家认为，这些逃逸电子就像调节器：当电场变强时，逃逸电子会引起微小的放电，把电场强度重新拉低。

　　闪电研究专家认为，闪电的形成并非单一因素而可能是多种机制一起在发挥作用，包括前述的“逃逸崩溃”和“快速正电荷击穿”，甚至也许还有其他尚未发现的原因。

　　无论如何，我们还是有理由相信，未来的工作会使科学家比以往任何时候都更加了解这个神秘的现象。

　　编译/符长波

本文来自《科学画报》