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疫情期间,闪电的频率为何会降低?科学家用天文望远镜得到了答案

时间: 2022年01月05日 | 作者: 《环球科学》 | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
为了验证闪电形成机制,一帮天文学家突发奇想,把他们原本用来观测遥远星系的射电望远镜对准了闪电,观察到了意外的现象……


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图片来源:Pixabay


编译|白德凡
审校|王昱


闪电是极为常见的气象现象。1752年,本杰明·富兰克林(Benjamin Franklin)把一个风筝放进了雷雨云中。他在风筝线上绑上一把钥匙,等风筝飞入闪电中,用指关节碰钥匙就会冒出电火花。这个著名的“风筝实验”验证了天上的闪电和地上的放电现象拥有共同的本质,都是正负电荷瞬间中和产生的

 

不过天上的云是怎么带上电荷的呢?教科书上给出的答案说,在雷雨云中,较轻的冰晶上升,较重的霰下降,二者相互摩擦导致冰晶带上正电而霰带上负电。于是正电荷在雷雨云的上部积累,负电荷在雷雨云的底部积累,产生了一个不断增强的电场,最终一个巨大的电火花击穿了云层,产生了闪电。


这种闪电机制的解释看起来非常合理,却有一个重大的缺陷:按照这种方式产生的电场过于微弱,它至少还要增强10倍才可能产生电火花。这个缺陷让闪电成因的细节依然扑朔迷离,科学家不得不思考,是否有什么关键的机制被他们忽略了。


新的闪电形成理论不断提出,为了验证这些假说,科学家需要观察雷雨云内部发生了什么。但这并不是件容易的事情,因为云是不透明的,科学家需要将气象气球和火箭送入雷雨云采集数据。然而这些物体的加入会人为地在云中产生电火花,进而干扰数据。2018年,荷兰低频阵列(LOFAR)射电望远镜的科学家突发奇想,把原本应该对准外太空遥远星系的望远镜对准了地球上的闪电,他们发现这个工具比气象气球和火箭好用得多,并得到了一些能确定闪电形成机制的关键线索。



望远镜对准闪电


当雷暴滚过头顶时,LOFAR几乎无法进行天文观测。因此,科学家调整了望远镜的天线,以探测从每次闪电中发出的数百万束射电脉冲。与可见光不同,频率更低的射电脉冲可以穿过厚厚的云层被望远镜接收。


使用射电探测器来观察闪电并不是新鲜事,美国新墨西哥州建造过专门的射电天线长期观测风暴。但这样绘制出的闪电图像分辨率很低,或是只有二维。而LOFAR是一种非常先进的天文望远镜,它可以绘制出精确到米的三维闪电图像,帧率达到先前的仪器的200倍。在LOFAR的帮助下,科学家得到了第一张真正清晰的雷雨云内部图像。

 

一个闪电会产生数百万个射电脉冲,为了从这堆混乱的射电数据中重建闪电的三维图像,研究人员采用了一种类似于阿波罗登月时使用过的算法,这种算法可以不断更新待测物体的位置。该算法基于LOFAR数千根天线收集的数据,不断更新射电脉冲的位置 ,绘制了清晰的闪电图像。

 

研究人员着重分析了2018年8月一次闪电的数据,他们分析了射电脉冲的模式,这项研究正好可以分辨两种主流的闪电成因模型孰对孰错。相关的研究成果即将发表在《地球物理研究快报》上。



宇宙线还是冰晶


对于闪电形成的机制,有一种理论认为,地球上闪电的形成,需要来自外太空的粒子的帮助。外太空的宇宙线与雷雨云中的电子碰撞,引发级联反应产生越来越多的电子,从而增强雷雨云中的电场,产生电火花。

 

然而新的观测结果支持了另一种理论闪电始于雷雨云内的冰晶簇。冰晶之间混乱的碰撞擦去了它们的一些电子,使每个冰晶的一端带正电,另一端带负电。正电端从附近的空气分子中吸引电子,在冰晶尖端形成延伸出去的电离空气带,这被称为“流光”(streamer)。


每个冰晶尖端产生了成片的流光,流光不断分岔,加热周围的空气,从空气分子夺走大量的电子,使得更大的电流流向冰晶。最终,一个流光变得足够热,导电性也足够高,就成为了一个先导(leader)——能允许真正的闪电移动的电离通道

 

LOFAR的研究人员依据观测数据重建了闪电发生的过程。他们发现,射电脉冲先是呈指数使增长,增长停止后,闪电发生的位置附近出现了一个先导。他们推测这可能是流光的级联反应导致的。而冰晶在闪电形成中的的关键作用,也与最近的情况相吻合。即在新冠疫情开始的头三个月内,闪电活动减少了10%以上。研究人员认为,疫情期间的封城和工厂停摆等举措,导致空气中污染物减少,没有足够的凝结核形成冰晶,进而减少了闪电活动

 

荷兰埃因霍温理工大学的物理学家尤特·埃伯特(Ute Ebert)没有参与这项研究。她先是称赞了LOFAR研究人员的工作,他们提供了高分辨率的闪电数据,允许后续的研究者在此基础上建立精确的闪电模型。然而,埃伯特也指出,LOFAR并没有直接对电离空气的冰晶成像,它只是观测到了随后发生的事情,那么最初的电离过程是如何开始的?现在很少有研究人员还支持宇宙线直接引发闪电的理论,但埃伯特表示,宇宙射线仍然可能扮演次要的角色,它们可能触发了冰晶附近的第一道流光。

 

LOFAR的研究人员希望在未来,能够捕捉到这些毫米尺度上发生的事情。论文的共同作者约瑟夫·德怀尔(Joseph Dwyer)说:“我们正试图看清从冰晶上脱落的小火花,以捕捉闪电在启动瞬间的形态。”

 

冰晶附近产生流光只是整个闪电过程的第一步,科学家们希望在未来,利用LOFAR绘制出闪电从产生到扩大再到与地面连通的整个过程。原本应该观测太空的望远镜对准了闪电,给了我们一个全新的视角,将大大提升我们对这种常见气象现象的认识。


原文链接:

https://www.quantamagazine.org/radio-telescope-reveals-how-lightning-begins-20211220/