@ 2012.10.19 , 14:45

走进科学:闪电之谜

闪电究竟是是由什么引起的至今我们仍不得而知。众所周知 Benjamin Franklin 是首位研究闪电如何产生的人,他正确地指出了闪电是一种自然的放电现象,但是他在1752年做的著名的风筝和钥匙实验有一点让人们很困惑,按照他对于风筝的描述(正方形的),这似乎不大可能从窗户飞起来。

而自富兰克林之后关于闪电的研究并没有多大进展。比如说,雷云是如何先带电的至今没有定论。空气的运动,云滴,冰雹(在某个高度,冰结成粒状)共同作用使得单个分子的正负电荷分开。冰粒好像是在相撞时得电,而不是通过摩擦生产静电,而且貌似小的冰粒带正电,大的冰粒带负电。因为小的冰粒随着对流往上走,大的在重力作用下向下沉,所有以他们携带的相反的电荷得以分开从而产生了电场。闪电使得电场放电,本质上是因为一个巨大的电花闯入了一个电路的“火线”(带电的云)和“地线”(大地)之间。这个过程的很多细节都不明朗,其中最大的谜团在于火花是如何触发的。毕竟电场与雷云相比之下没有大到可以引发闪电自发放电。肯定存在“培育”它的东西。有一种观点认为,他们是由射向大气层的宇宙射线触发的。一项研究试图质疑该论点,最后发现如果有原因,也不会是我们想的那样。

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遍及宇宙的宇宙射线(大部分是质子和电子),在类似超新星的高能量天体物理过程中大规模的生成并不断地落向地球。如果宇宙射线和空气分子相撞,将会喷射出原子核的基础粒子和碎片。结果是与其他分子反应,将其电离并产生一批电子。1997年,俄罗斯科学家 Alexander Gurevich 和他在莫斯科的同事提出宇宙射线也能孕育闪电。在雷云的电场中,电子被加速,在“逃亡”过程中产生了更强有力的碰撞,并最终产生了雷击。正如雷暴时卫星监测到的那样,这一过程也产生了X和γ射线。Gurevich 关于宇宙射线引发闪电的观点 似乎是可信的。如果宇宙射线理论是正确的,那么电子雪崩应该也会产生无线电波,并且在地面可以监测到。三年前,佛罗里达技术学院的 Joseph Dwyer 开始监测雷暴中的无线信号,同时利用一系列的粒子监测器寻找预计在宇宙射线碰撞中产生的粒子。 Dwyer 及其他团队在做的该类和其他研究(书面上的)目前仍然在闪电研究及测试国际中心和美国佛罗里达布兰丁的军事露营基地进行着。

与此同时, Dwyer 与Leonid Babich (从苏联冷战时期开始至今的俄罗斯大气层电子物理领域的泰斗)及其在俄罗斯联邦核中心的同事合作进一步深入研究 Gurevich 的论点。他们仍在质疑伴随着逃离的电子雪崩的高能量的宇宙射线,是否足以使空气带电并产生雷击。为此,研究者致力于找到描述宇宙射线碰撞的几率,电子和电场的产率的方程式。该方程异常复杂,但是电子计算机可以对其迅速求解.结果貌似并不支持古烈维奇的假设:由宇宙射线产生的游离的电子雪崩似乎不足以产生空气电解和闪电放电。然而,并不是全盘都被否定。和高能量宇宙射线碰撞产生的粒子流类似,大气仍然可以被数量众多的低能量宇宙射线充电。当它们与空气碰撞时,并不会产生灾难性的结果:只是将分子电离罢了。但这些电离出来的粒子在雷云内部累积,按照计算,最终会产生足以导致闪电放电的强电场。

虽然至今没有人对这种可能性进行详细研究,但是 Dwyer 和他的同事认为它为这一假设提供了广阔的可能性。本文译自 bbc,由译者 老人爱怡 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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