夜空中最亮的秘密:关于闪电的那些事

科学探索中科院物理所2019-06-06 16:48

每天都有数百万次的闪电划过天空,过去数万年,人类已经无数次的目睹过这种现象了。地球的生命也很有可能源于闪电。在1952年,化学家哈罗德·乌里(Harold Urey)和他的研究生斯坦利·米勒(Stanley Miller)在实验室里证实了这个想法。当时,他们模拟了早期的生命环境并把它暴露在人造闪电下。令他们高兴的是,他们最终得到了由生命的基石也就是氨基酸组成的“原始汤”。根据社会生物学家爱德华·欧·威尔逊(Edward O Wilson)的说法,闪电甚至也在人类思维的进化中发挥了作用。威尔逊认为,当闪电在非洲大草原上燃烧大型动物时,将整具尸体都烧熟了,可以随时食用,人类的祖先从中获得了高蛋白、促进大脑发育的食物。同样的,闪电为我们祖先提供了可捕捉的火焰,以便家里的火能够一直燃烧。人类的哲学和文化正是在篝火周围(闪电使之成为可能)产生的。

早期的人类只看到了闪电的巨大力量,对它的电学性能及其对生命和进化的影响一无所知,他们认为闪电直接来源于诸神——其中最著名的是希腊主神宙斯,他从奥林匹斯山上扔下致命的雷电。北欧神话中有奥丁之子索尔,他那隆隆作响的战车车轮和魔法锤产生了雷鸣和闪电。其他文化,从日本到斯拉夫,也有类似的神灵。

这些早期的联想也许可以解释为什么闪电象征着大自然令人敬畏的力量以及创生。我们仍然被经典电影《弗兰肯斯坦》(1931)中的场景所吸引,在雷的轰鸣中疾驰的闪电使得由尸体组成的怪物(鲍里斯·卡洛夫[Boris Karloff]饰演)更强大。闪电也代表以眩目的速度传导的压倒性力量。军事徽章通常以闪电为特征,自第二次世界大战以来,全副武装的军用飞机被命名为闪电和霹雳。在那场战争中,纳粹称他们在欧洲发动的快速袭击为“闪电战”。他们把党卫军单位的首字母写成两个闪电的形状,进一步加强了象征意义。

“高压”标志仍然是可怕的闪电,但闪电也已成为电力的普遍象征,为我们服务。像我的智能手机这样的数字设备只使用很小的无害的电压,但手机在充电时会显示出一个小小的闪电。几十年来,电力行业一直用Reddy Kilowatt为自己做广告。Reddy Kilowat是一个简笔画的卡通形象,用闪电做成四肢,用灯泡做成鼻子。

闪电这种普遍存在的电现象在地球上存在了很长时间,但它的起源至今仍是个谜。“我们对宇宙中的奇异天体的了解与日俱增,但是具有讽刺意味的是,我们居然不了解距离我们头顶几英里的闪电的起源是什么”物理学家Joseph Dwyer和马丁在2014年的一篇该领域的综述中如是写道。更具讽刺意味的是,我们如今需要迫切的了解闪电是因为人类活动和气候变化在很大程度上加剧了闪电对全球的破坏。

人类从科学的角度观察闪电的故事可以追溯到公元前6世纪,希腊哲学家阿纳克西曼德将闪电和雷声归因于自然原因:火、风和云之间的碰撞。大约在公元前340年,亚里士多德同样断言“干呼气”——一种从地球上升起的可燃气体——引起雷声,然后燃烧产生闪电;他写道,我们会先看到闪电,因为“视觉比听觉快”。

直到18世纪科学家们开始用电火花进行实验,闪电产生的机制这一神秘的面纱才被揭开。这项工作让他们意识到闪电也是同样的现象——在云层和地面之间产生巨大的电火花。博学多才的本杰明·富兰克林(Benjamin Franklin)是第一个提出可以通过实验来验证这一点的人。1752年,他在费城进行了一次著名的实验,当时他把一只风筝扔进了雷雨中,并把线的一端握在一把金属钥匙上。当他的指关节靠近钥匙时,他看到并感觉到电火花。这一结果开启了闪电研究的新时代。

尽管富兰克林的研究在取得突破后仍在继续,但两个世纪之后,人们才对闪电有了新的重大发现。1960年,德裔美国物理学家海因茨-沃尔夫拉姆·卡塞米尔(Heinz-Wolfram Kasemir)提出,闪电始于云层中正电荷和负电荷区域之间形成的“引线”——空气中电流可以流动的通道。与从带电云到地面的火花这一简单而似乎已经确立的观点不同,卡塞米尔的观点意味着,我们所看到的闪电是通过一系列复杂的步骤产生的,因此他的观点一致得不到重视,直到上世纪80年代,飞机上的测量结果证实雷雨云内部和附近确实存在带正电荷和负电荷的区域。

当研究人员找到了确定闪电电压和电流的方法时,我们对闪电的了解有了进一步的加深,闪电中电流和电压的关系和我们日常的家用电器系统是类似的。但是,在数百万伏特和数千安培的情况下,这些闪电的能量比我们家用的电灯、冰箱和电视机所使用的110伏特和100到200安培的能量都要大好几个数量级。

物理学家学会了用高速摄像机来分析闪电的发展过程。研究人员通过向雷暴中发射拖着铜丝的火箭,人为地触发了闪电。来自美国雷暴发生率最高的佛罗里达州的国际闪电研究与测试中心的德怀尔、乌曼和其他科学家多年来已经检测了约400个触发闪电。

通过这些努力,研究人员了解到,当雷雨云中的冰晶在上升的气流中向上运动,遇到霰粒子(一种软冰雹),以及零度以下仍保持液态的过冷水时,就会产生闪电。相互作用在云的顶部和底部分别产生正电荷和负电荷,而在云的下方一般是正电荷区域。相反的电荷增长并相互吸引,直到它们之间的电场开始撕裂中间的空气,并且产生电流。这是卡塞米尔提出的“引线”,它可以发生在云中,云与云之间,或云到地面之间。

高速摄像机显示,最常见的雷击是由一系列“引线” (通常光线太暗,肉眼无法看到)以之字形将电子向下输送时发生的。接近地面时,电子与下面的正电荷相互作用,使空气完全能够携带电流。结果,来自云层的电子沿着“引线”们引导的同一条锯齿状的管道快速地跑向地面。这就是我们所感知到的闪电。电流将空气加热到3万摄氏度,这是太阳表面温度的5倍,发出耀眼的闪光,迅速膨胀的空气产生了雷声。其他的效应也会随之而来,但总是伴随着能杀死或伤害生物几千安培的电流,而且它们携带着足够的能量来燃烧或摧毁它所撞击的物体。

虽然我们可以大致地追溯闪电的发展过程,但是我们仍然对一些细节没有足够的认识。我们尚不清楚冰、过冷水和霰如何相互作用以分离正电荷和负电荷。另一个谜团是:从我们所知道的关于电的所有知识来看,在先导物形成之前,穿过正电荷和负电荷之间的空气间隙的数百万伏特的强电场是必要的。云层内部的测量表明,内部磁场从未达到这个水平——然而闪电还是发生了。这就是为什么德怀尔和乌曼认为闪电的诞生是大气科学中最大的谜团之一。

解决这些难题将具有实际意义,因为闪电正变得更具破坏性。富兰克林发明的避雷针可以将闪电的电流从建筑物上转移开,减轻了一些危险。但是在过去的几十年里,雷电造成的人员死亡、建筑物破坏、扰乱航空和电力系统、引发野火和森林火灾的可能性不断增加。这在很大程度上是由于人类活动导致的全球变暖和大气污染。这些会促进对流,即暖空气和水汽的上升,从而形成雷暴,从而产生更多的闪电。以色列的跨学科中心的大气科学家Yoav Yair指出另一个因素:人们在城市地区日益增长的密度——现在为55%,预计到2050年将达到68%,高楼大厦、空气污染使雷击的可能性更大。

这些变化的影响很大。例如,Yair指出,在东亚、南亚和东南亚,闪电对飞机航班造成的干扰是一个日益严重的问题。这一亚太地区包括一些易遭雷击的主要地区,其航空交通量正以每年近5%的速度增长。在另一个例子中,澳大利亚和美国的研究人员分析了澳大利亚、南非和南美洲或干旱或潮湿的生态系统中由闪电引发的火灾。本世纪,此类火灾的数量有所增加,科学家们将这一趋势与气候变化联系起来,认为这是因为雷击次数的增加并使得火焰更容易被点燃。

对于这些危险,我们的一种反应是跟踪闪电,这也有助于研究。闪电是一种强大的电磁辐射源,大部分频率低于500千赫(AM无线电频段从540千赫开始,这就是为什么闪电在AM刻度盘的底端产生静电)。在这个范围内工作的传感器可以快速地对远距离雷击的位置进行三角测量。例如,全球闪电定位网络(World Wide Lightning Location Network, WWLLN)使用了70多个放置在全世界各地的设备来跟踪闪电。

2017年,华盛顿大学(University of Washington)的乔尔·桑顿(Joel Thornton)及其同事利用WWLLN的数据发现,印度洋和中国南海两条繁忙的航道上空发生闪电的频率是邻近海域的两倍。研究人员推测,这种差异来自船只燃烧化石燃料时释放的气溶胶颗粒。这是大气污染增强闪电的有力证据。闪电定位系统还可以监测极端天气,保护机场的航班运行。2013年,一个定位系统为缺乏气象数据的菲律宾棉兰老岛确定了数百公里远的一场强台风的运行轨迹,

当闪电与大气中的氧气和氮气相互作用时,会产生其他红外波段的特征辐射。这种肉眼看不见的辐射可以从美国国家航空航天局(NASA)专门装备的太空卫星上探测到,这些卫星可以扫描地球的大部分区域。2016年,巴西圣保罗大学的Rachel Albrecht和她的同事对卫星数据进行了全面的分析。他们确定非洲和亚洲地区是闪电高度活跃的地点,委内瑞拉的马拉开波湖是地球上闪电最活跃的地区。由于它独特的气候和地形,平均每年产生297天的雷暴。该地区每年平均每平方公里产生233次闪电,而全球平均每平方公里产生6次闪电。我们最终的目标是将这些数据与闪电活动的模型结合起来,从而长期预测闪电将袭击的地点。

为了防雷,我们还需要知道一个典型的闪电的能量或功率。闪电和伴随而来的雷声是地球上常见的最亮的光和最大的声音,表明能量水平很高。另一个线索是闪电产生x射线和伽马射线。就像日内瓦附近欧洲核子研究中心的大型强子对撞机一样,人们认为这些现象的产生是因为伴随闪电而来的电场将基本粒子(这里指的是电子)加速至很高的能量,这些高能粒子产生x射线,并且引发核反应的伽马射线。

虽然很难测量闪电击中物体所传递的能量有多少,但一种研究“闪电化石”(lightning fossils)或fulgurites(闪电的拉丁语)的新方法给出了答案。当闪电将沙子、土壤或岩石加热到足以融化这种材料并将其变成玻璃时,就会产生这种现象。2016年,地球科学家马修·帕塞克(Matthew Pasek)和马克·赫斯特(Marc Hurst)分析了从佛罗里达州一个沙矿中回收的266个空心圆柱形fulgurites,这些fulgurites的长度从几厘米到一米多不等(已经发现了其他长达5米的fulgurites)。利用已知的将二氧化硅(沙子的主要成分)玻璃化所需要的热量,研究人员发现,闪电只花费了很小一部分能量就能将沙子变成玻璃。

然而,传输的功率取决于目标材料。2017年,宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)的陈江志(音译)和同事研究了花岗岩中的富尔古石,雷击会在它内部产生高压冲击波。在这里,研究人员发现,雷电会在几十微秒内以10万摄氏度的温度将岩石加热到2000摄氏度以上,融化后形成一层玻璃。这可与陨石撞击造成的毁灭性影响相提并论。进一步的研究将衡量其他材料的这些影响,并为设计适当的保护措施提供依据。

科学家们想知道,闪电蕴含的高能量具有巨大的破坏性,但是也有可能为人类提供免费的可再生能源。在马拉开波湖,在每年每平方公里233次闪电中,每一次可获得10亿瓦特的电能,就可以为20户居民提供电力。这将需要建立一个收集站网络来捕捉闪电,储存不定期到达的电涌,并根据需要向用户分发电力,这是一项复杂的工程项目,在经济上无法与其他能源竞争。但是,一旦我们了解了闪电的古老秘密——是什么触发了闪电——也许我们就能学会如何在闪电造成伤害之前就阻止它,以及如何把它集中在可以收集和使用它的能量的地方。

无论对普通闪电还有什么疑问,人们对球状闪电这种罕见而奇特的形式的了解就更少了。球状闪电是一种发光的球体,出现在雷击或雷暴附近,会在空中漂浮几秒钟。1638年的一位早期目击者描述了一个直径超过2米的火球进入英格兰德文郡的一座教堂,造成4人死亡,并毁坏了教堂。据报道,在现代还有成千上万的其他目击事件,人们看到球状闪电穿透玻璃,出现在封闭的金属飞机内。人们提出了许多假说来解释这一非凡的现象,但由于缺乏一定量数据,目前还没有明确的解释。

然而,在2012年,观察普通闪电的中国科学家幸运地看到,闪电对附近的地面撞击形成了一个发光的球。他们记录了照片和视频,以及球状闪电的第一个光谱,这个光谱中包含硅——土壤的主要成分。这一结果支持了2000年提出的一个理论,即雷击将地面上的硅转化为纳米颗粒形式的硅化合物时,就会产生球状闪电。引申到空气中,这些物质以相对较慢的速度氧化,产生一种独特而持久的发光源。这一假设尚未得到证实。

尽管这个谜团一直存在,但我们现有的知识已经帮助我们研究了其他有大气层的天体,比如木星。这颗行星显示出大量的闪电活动,旅行者1号宇宙飞船在1979年首次观测到这一现象,而且从2016年开始环绕木星运行的朱诺号宇宙飞船如今也观测到了这一现象。朱诺号已经探测到来自数百次闪电的无线电波,这些闪电据信是由水和冰的电荷分离产生的,就像在地球上一样。但是地球上的闪电在赤道附近最为密集,而木星上的闪电则集中在两极附近。这是了解木星上的水分布和行星大气动力的重要线索。

艺术家描绘的木星闪电

在土星上也观测到了大量闪电,它有自己活跃的大气层。令人惊讶的是,火星——其稀薄的二氧化碳大气中——也出现了闪电;但在那种干旱的环境中,这种“干闪电”并不依赖于大气中的水和冰。取而代之的,就像在地球上发生的一样,这些放电来自火星上常见的强沙尘暴携带的微小颗粒之间的摩擦。

火星闪电之所以吸引人,是因为这颗行星如果不是现在的外星生命存在的地方,也可能是过去的外星生命存在的地方。从2008年开始,NASA着陆器在火星土壤中发现了高氯酸盐——一种含有负离子ClO4-的化合物。这些引起了人们的注意,因为它们可以为可能生活在古火星上的某些微生物提供养料。高氯酸盐的含量比火星地质条件表现出的要多,这暗示着它们是由闪电形成的。现在,一个国际研究小组刚刚发现,在模拟火星环境下的放电会产生大量高氯酸盐,这对研究外星生命的进化具有重要意义。

这个实验是在一颗以一位古代神命名的行星进行的,它让我们想起了一个在神统治下的时代和1952年米勒-尤里(Miller-Urey)的实验,该实验首次寻求对生命起源的科学解释。闪电体现了人类从信仰神控制的宇宙到信仰我们可以掌握的自然世界的进化,其中的奥秘还有待解决。

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