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夜空中最亮的秘密:關于閃電的那些事

科學探索中科院物理所2019-06-06 16:48

每天都有數百萬次的閃電劃過天空,過去數萬年,人類已經無數次的目睹過這種現象了。地球的生命也很有可能源于閃電。在1952年,化學家哈羅德·烏里(Harold Urey)和他的研究生斯坦利·米勒(Stanley Miller)在實驗室里證實了這個想法。當時,他們模擬了早期的生命環境并把它暴露在人造閃電下。令他們高興的是,他們最終得到了由生命的基石也就是氨基酸組成的“原始湯”。根據社會生物學家愛德華·歐·威爾遜(Edward O Wilson)的說法,閃電甚至也在人類思維的進化中發揮了作用。威爾遜認為,當閃電在非洲大草原上燃燒大型動物時,將整具尸體都燒熟了,可以隨時食用,人類的祖先從中獲得了高蛋白、促進大腦發育的食物。同樣的,閃電為我們祖先提供了可捕捉的火焰,以便家里的火能夠一直燃燒。人類的哲學和文化正是在篝火周圍(閃電使之成為可能)產生的。

早期的人類只看到了閃電的巨大力量,對它的電學性能及其對生命和進化的影響一無所知,他們認為閃電直接來源于諸神——其中最著名的是希臘主神宙斯,他從奧林匹斯山上扔下致命的雷電。北歐神話中有奧丁之子索爾,他那隆隆作響的戰車車輪和魔法錘產生了雷鳴和閃電。其他文化,從日本到斯拉夫,也有類似的神靈。

這些早期的聯想也許可以解釋為什么閃電象征著大自然令人敬畏的力量以及創生。我們仍然被經典電影《弗蘭肯斯坦》(1931)中的場景所吸引,在雷的轟鳴中疾馳的閃電使得由尸體組成的怪物(鮑里斯·卡洛夫[Boris Karloff]飾演)更強大。閃電也代表以眩目的速度傳導的壓倒性力量。軍事徽章通常以閃電為特征,自第二次世界大戰以來,全副武裝的軍用飛機被命名為閃電和霹靂。在那場戰爭中,納粹稱他們在歐洲發動的快速襲擊為“閃電戰”。他們把黨衛軍單位的首字母寫成兩個閃電的形狀,進一步加強了象征意義。

“高壓”標志仍然是可怕的閃電,但閃電也已成為電力的普遍象征,為我們服務。像我的智能手機這樣的數字設備只使用很小的無害的電壓,但手機在充電時會顯示出一個小小的閃電。幾十年來,電力行業一直用Reddy Kilowatt為自己做廣告。Reddy Kilowat是一個簡筆畫的卡通形象,用閃電做成四肢,用燈泡做成鼻子。

閃電這種普遍存在的電現象在地球上存在了很長時間,但它的起源至今仍是個謎!拔覀儗τ钪嬷械钠娈愄祗w的了解與日俱增,但是具有諷刺意味的是,我們居然不了解距離我們頭頂幾英里的閃電的起源是什么”物理學家Joseph Dwyer和馬丁在2014年的一篇該領域的綜述中如是寫道。更具諷刺意味的是,我們如今需要迫切的了解閃電是因為人類活動和氣候變化在很大程度上加劇了閃電對全球的破壞。

人類從科學的角度觀察閃電的故事可以追溯到公元前6世紀,希臘哲學家阿納克西曼德將閃電和雷聲歸因于自然原因:火、風和云之間的碰撞。大約在公元前340年,亞里士多德同樣斷言“干呼氣”——一種從地球上升起的可燃氣體——引起雷聲,然后燃燒產生閃電;他寫道,我們會先看到閃電,因為“視覺比聽覺快”。

直到18世紀科學家們開始用電火花進行實驗,閃電產生的機制這一神秘的面紗才被揭開。這項工作讓他們意識到閃電也是同樣的現象——在云層和地面之間產生巨大的電火花。博學多才的本杰明·富蘭克林(Benjamin Franklin)是第一個提出可以通過實驗來驗證這一點的人。1752年,他在費城進行了一次著名的實驗,當時他把一只風箏扔進了雷雨中,并把線的一端握在一把金屬鑰匙上。當他的指關節靠近鑰匙時,他看到并感覺到電火花。這一結果開啟了閃電研究的新時代。

盡管富蘭克林的研究在取得突破后仍在繼續,但兩個世紀之后,人們才對閃電有了新的重大發現。1960年,德裔美國物理學家海因茨-沃爾夫拉姆·卡塞米爾(Heinz-Wolfram Kasemir)提出,閃電始于云層中正電荷和負電荷區域之間形成的“引線”——空氣中電流可以流動的通道。與從帶電云到地面的火花這一簡單而似乎已經確立的觀點不同,卡塞米爾的觀點意味著,我們所看到的閃電是通過一系列復雜的步驟產生的,因此他的觀點一致得不到重視,直到上世紀80年代,飛機上的測量結果證實雷雨云內部和附近確實存在帶正電荷和負電荷的區域。

當研究人員找到了確定閃電電壓和電流的方法時,我們對閃電的了解有了進一步的加深,閃電中電流和電壓的關系和我們日常的家用電器系統是類似的。但是,在數百萬伏特和數千安培的情況下,這些閃電的能量比我們家用的電燈、冰箱和電視機所使用的110伏特和100到200安培的能量都要大好幾個數量級。

物理學家學會了用高速攝像機來分析閃電的發展過程。研究人員通過向雷暴中發射拖著銅絲的火箭,人為地觸發了閃電。來自美國雷暴發生率最高的佛羅里達州的國際閃電研究與測試中心的德懷爾、烏曼和其他科學家多年來已經檢測了約400個觸發閃電。

通過這些努力,研究人員了解到,當雷雨云中的冰晶在上升的氣流中向上運動,遇到霰粒子(一種軟冰雹),以及零度以下仍保持液態的過冷水時,就會產生閃電。相互作用在云的頂部和底部分別產生正電荷和負電荷,而在云的下方一般是正電荷區域。相反的電荷增長并相互吸引,直到它們之間的電場開始撕裂中間的空氣,并且產生電流。這是卡塞米爾提出的“引線”,它可以發生在云中,云與云之間,或云到地面之間。

高速攝像機顯示,最常見的雷擊是由一系列“引線” (通常光線太暗,肉眼無法看到)以之字形將電子向下輸送時發生的。接近地面時,電子與下面的正電荷相互作用,使空氣完全能夠攜帶電流。結果,來自云層的電子沿著“引線”們引導的同一條鋸齒狀的管道快速地跑向地面。這就是我們所感知到的閃電。電流將空氣加熱到3萬攝氏度,這是太陽表面溫度的5倍,發出耀眼的閃光,迅速膨脹的空氣產生了雷聲。其他的效應也會隨之而來,但總是伴隨著能殺死或傷害生物幾千安培的電流,而且它們攜帶著足夠的能量來燃燒或摧毀它所撞擊的物體。

雖然我們可以大致地追溯閃電的發展過程,但是我們仍然對一些細節沒有足夠的認識。我們尚不清楚冰、過冷水和霰如何相互作用以分離正電荷和負電荷。另一個謎團是:從我們所知道的關于電的所有知識來看,在先導物形成之前,穿過正電荷和負電荷之間的空氣間隙的數百萬伏特的強電場是必要的。云層內部的測量表明,內部磁場從未達到這個水平——然而閃電還是發生了。這就是為什么德懷爾和烏曼認為閃電的誕生是大氣科學中最大的謎團之一。

解決這些難題將具有實際意義,因為閃電正變得更具破壞性。富蘭克林發明的避雷針可以將閃電的電流從建筑物上轉移開,減輕了一些危險。但是在過去的幾十年里,雷電造成的人員死亡、建筑物破壞、擾亂航空和電力系統、引發野火和森林火災的可能性不斷增加。這在很大程度上是由于人類活動導致的全球變暖和大氣污染。這些會促進對流,即暖空氣和水汽的上升,從而形成雷暴,從而產生更多的閃電。以色列的跨學科中心的大氣科學家Yoav Yair指出另一個因素:人們在城市地區日益增長的密度——現在為55%,預計到2050年將達到68%,高樓大廈、空氣污染使雷擊的可能性更大。

這些變化的影響很大。例如,Yair指出,在東亞、南亞和東南亞,閃電對飛機航班造成的干擾是一個日益嚴重的問題。這一亞太地區包括一些易遭雷擊的主要地區,其航空交通量正以每年近5%的速度增長。在另一個例子中,澳大利亞和美國的研究人員分析了澳大利亞、南非和南美洲或干旱或潮濕的生態系統中由閃電引發的火災。本世紀,此類火災的數量有所增加,科學家們將這一趨勢與氣候變化聯系起來,認為這是因為雷擊次數的增加并使得火焰更容易被點燃。

對于這些危險,我們的一種反應是跟蹤閃電,這也有助于研究。閃電是一種強大的電磁輻射源,大部分頻率低于500千赫(AM無線電頻段從540千赫開始,這就是為什么閃電在AM刻度盤的底端產生靜電)。在這個范圍內工作的傳感器可以快速地對遠距離雷擊的位置進行三角測量。例如,全球閃電定位網絡(World Wide Lightning Location Network, WWLLN)使用了70多個放置在全世界各地的設備來跟蹤閃電。

2017年,華盛頓大學(University of Washington)的喬爾·桑頓(Joel Thornton)及其同事利用WWLLN的數據發現,印度洋和中國南海兩條繁忙的航道上空發生閃電的頻率是鄰近海域的兩倍。研究人員推測,這種差異來自船只燃燒化石燃料時釋放的氣溶膠顆粒。這是大氣污染增強閃電的有力證據。閃電定位系統還可以監測極端天氣,保護機場的航班運行。2013年,一個定位系統為缺乏氣象數據的菲律賓棉蘭老島確定了數百公里遠的一場強臺風的運行軌跡,

當閃電與大氣中的氧氣和氮氣相互作用時,會產生其他紅外波段的特征輻射。這種肉眼看不見的輻射可以從美國國家航空航天局(NASA)專門裝備的太空衛星上探測到,這些衛星可以掃描地球的大部分區域。2016年,巴西圣保羅大學的Rachel Albrecht和她的同事對衛星數據進行了全面的分析。他們確定非洲和亞洲地區是閃電高度活躍的地點,委內瑞拉的馬拉開波湖是地球上閃電最活躍的地區。由于它獨特的氣候和地形,平均每年產生297天的雷暴。該地區每年平均每平方公里產生233次閃電,而全球平均每平方公里產生6次閃電。我們最終的目標是將這些數據與閃電活動的模型結合起來,從而長期預測閃電將襲擊的地點。

為了防雷,我們還需要知道一個典型的閃電的能量或功率。閃電和伴隨而來的雷聲是地球上常見的最亮的光和最大的聲音,表明能量水平很高。另一個線索是閃電產生x射線和伽馬射線。就像日內瓦附近歐洲核子研究中心的大型強子對撞機一樣,人們認為這些現象的產生是因為伴隨閃電而來的電場將基本粒子(這里指的是電子)加速至很高的能量,這些高能粒子產生x射線,并且引發核反應的伽馬射線。

雖然很難測量閃電擊中物體所傳遞的能量有多少,但一種研究“閃電化石”(lightning fossils)或fulgurites(閃電的拉丁語)的新方法給出了答案。當閃電將沙子、土壤或巖石加熱到足以融化這種材料并將其變成玻璃時,就會產生這種現象。2016年,地球科學家馬修·帕塞克(Matthew Pasek)和馬克·赫斯特(Marc Hurst)分析了從佛羅里達州一個沙礦中回收的266個空心圓柱形fulgurites,這些fulgurites的長度從幾厘米到一米多不等(已經發現了其他長達5米的fulgurites)。利用已知的將二氧化硅(沙子的主要成分)玻璃化所需要的熱量,研究人員發現,閃電只花費了很小一部分能量就能將沙子變成玻璃。

然而,傳輸的功率取決于目標材料。2017年,賓夕法尼亞大學(University of Pennsylvania)的陳江志(音譯)和同事研究了花崗巖中的富爾古石,雷擊會在它內部產生高壓沖擊波。在這里,研究人員發現,雷電會在幾十微秒內以10萬攝氏度的溫度將巖石加熱到2000攝氏度以上,融化后形成一層玻璃。這可與隕石撞擊造成的毀滅性影響相提并論。進一步的研究將衡量其他材料的這些影響,并為設計適當的保護措施提供依據。

科學家們想知道,閃電蘊含的高能量具有巨大的破壞性,但是也有可能為人類提供免費的可再生能源。在馬拉開波湖,在每年每平方公里233次閃電中,每一次可獲得10億瓦特的電能,就可以為20戶居民提供電力。這將需要建立一個收集站網絡來捕捉閃電,儲存不定期到達的電涌,并根據需要向用戶分發電力,這是一項復雜的工程項目,在經濟上無法與其他能源競爭。但是,一旦我們了解了閃電的古老秘密——是什么觸發了閃電——也許我們就能學會如何在閃電造成傷害之前就阻止它,以及如何把它集中在可以收集和使用它的能量的地方。

無論對普通閃電還有什么疑問,人們對球狀閃電這種罕見而奇特的形式的了解就更少了。球狀閃電是一種發光的球體,出現在雷擊或雷暴附近,會在空中漂浮幾秒鐘。1638年的一位早期目擊者描述了一個直徑超過2米的火球進入英格蘭德文郡的一座教堂,造成4人死亡,并毀壞了教堂。據報道,在現代還有成千上萬的其他目擊事件,人們看到球狀閃電穿透玻璃,出現在封閉的金屬飛機內。人們提出了許多假說來解釋這一非凡的現象,但由于缺乏一定量數據,目前還沒有明確的解釋。

然而,在2012年,觀察普通閃電的中國科學家幸運地看到,閃電對附近的地面撞擊形成了一個發光的球。他們記錄了照片和視頻,以及球狀閃電的第一個光譜,這個光譜中包含硅——土壤的主要成分。這一結果支持了2000年提出的一個理論,即雷擊將地面上的硅轉化為納米顆粒形式的硅化合物時,就會產生球狀閃電。引申到空氣中,這些物質以相對較慢的速度氧化,產生一種獨特而持久的發光源。這一假設尚未得到證實。

盡管這個謎團一直存在,但我們現有的知識已經幫助我們研究了其他有大氣層的天體,比如木星。這顆行星顯示出大量的閃電活動,旅行者1號宇宙飛船在1979年首次觀測到這一現象,而且從2016年開始環繞木星運行的朱諾號宇宙飛船如今也觀測到了這一現象。朱諾號已經探測到來自數百次閃電的無線電波,這些閃電據信是由水和冰的電荷分離產生的,就像在地球上一樣。但是地球上的閃電在赤道附近最為密集,而木星上的閃電則集中在兩極附近。這是了解木星上的水分布和行星大氣動力的重要線索。

藝術家描繪的木星閃電

在土星上也觀測到了大量閃電,它有自己活躍的大氣層。令人驚訝的是,火星——其稀薄的二氧化碳大氣中——也出現了閃電;但在那種干旱的環境中,這種“干閃電”并不依賴于大氣中的水和冰。取而代之的,就像在地球上發生的一樣,這些放電來自火星上常見的強沙塵暴攜帶的微小顆粒之間的摩擦。

火星閃電之所以吸引人,是因為這顆行星如果不是現在的外星生命存在的地方,也可能是過去的外星生命存在的地方。從2008年開始,NASA著陸器在火星土壤中發現了高氯酸鹽——一種含有負離子ClO4-的化合物。這些引起了人們的注意,因為它們可以為可能生活在古火星上的某些微生物提供養料。高氯酸鹽的含量比火星地質條件表現出的要多,這暗示著它們是由閃電形成的,F在,一個國際研究小組剛剛發現,在模擬火星環境下的放電會產生大量高氯酸鹽,這對研究外星生命的進化具有重要意義。

這個實驗是在一顆以一位古代神命名的行星進行的,它讓我們想起了一個在神統治下的時代和1952年米勒-尤里(Miller-Urey)的實驗,該實驗首次尋求對生命起源的科學解釋。閃電體現了人類從信仰神控制的宇宙到信仰我們可以掌握的自然世界的進化,其中的奧秘還有待解決。

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