闪电:不仅震撼,更加神秘

marydd (无) 名动一方
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发表于:2015-09-16 00:00 [只看楼主] [划词开启]

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闪电:不仅震撼,更加神秘


你见过神秘出现又消失的灿烂光球吗? 你见过天空中幽灵般的环状光晕吗?这些都是闪电的杰作。

闪电是很常见的自然现象,在世界各地,每秒钟会有100道闪电击中地面。然而,闪电很难加以研究,我们无法预测它什么时候出现以及在哪里出现,当我们还没明白过来的时候,闪电已经消失了。可以说,我们对闪电的认识并不是很多。自然界各种各样的闪电,除了让我们感到震撼之外,更让我们感到大自然的神秘。




闪电的起源

闪电如何起源?这个问题科学家们还不能完全准确地解答。

一种最流行的理论是,闪电是由风暴中的冰微粒和水微粒激发的。当一场雷暴正在酝酿的时候,冰微粒向下冲,在途中撞击到向上升的温暖的水微粒。上下两个锋面相互摩擦,电子开始从水滴转移到了冰微粒,使雷暴的上层带正电、下层(主要是冰)带负电。当两个区域之间的电场足够强的时候,就会陆续产生一些小规模的放电。但是这些小规模的放电会莫名其妙地联接在一起,最终形成一道大的闪电。这道闪电将会以每小时36万千米的速度传播,它的温度可以高达3万摄氏度,是太阳表面温度的5倍。

但奇怪的是,科学家们长达数十年的研究表明,大气雷暴中的电场强度只有引发闪电所需能量的1/10,那其他9/10的能量是从哪儿来的呢?可见这一理论是有问题的。科学家们猜想,地球上的闪电可能起源于太空。于是,一种被称为“电子逃逸崩溃”的理论出现了。

这种理论认为,闪电是由高能宇宙射线引发的。这些高能宇宙射线大都由恒星爆炸产生,它们在穿越了宇宙空间,携带着巨大的能量来到地球,猛烈地撞击空气分子时,它们能够释放大量的电子。已经存在于云层中的电场,又会使电子带有更高的能量,使电子流撞击更多的空气分子,进一步产生电子,这种几何级数式的撞击反应,最后引发“雪崩”,最终产生一次“逃逸崩溃”,就形成了我们见到的闪电。

“电子逃逸崩溃”的理论也存有令人不解的地方——如果“逃逸崩溃”由宇宙射线引起,那么宇宙射线必须具备多大的能量才能得手?科学家们预测,这需要一个能量至少达到1016电子伏的粒子束。但如此高能的宇宙射线很少,不可能频繁地击中地球表面,造成地球上每秒100次这样高频率的闪电活动。所以迄今为止,虽然科学家们已经相信,导致闪电的原因是电子的“逃逸崩溃”,但是他们还无法确定,是否所有的“逃逸崩溃”都是由宇宙射线引起的。

神秘的球状闪电

球状闪电一直被誉为最神秘的自然现象之一,它出现的频率很低,但给人印象深刻。

在强烈的雷暴发生时,透过玻璃窗望去,我们或许能够看到这些奇怪的电球——它们颜色各异,可以是黄的、白的、红的、橙的、紫的甚至绿的;它们只能维持数秒,但也有维持1分钟的记录;更神奇的是,有人看到它可以在空中独立缓慢地移动……关于球状闪电已经有几个世纪的研究了,但是它总是外形多变,行踪不定,所以,至今无法得出一个普遍认可的结论。

2012年,中国科学家首次捕捉到了球状闪电的视频。当时,中国科学家们正在观察雷暴,意外地记录到了一次球状闪电。一道闪电击中地面,一个直径约5米的灼热鲜艳的光球突然出现,1.6秒之后,它就消失了。但科学家们已经能够记录到它的光谱和神秘球体的影像。光谱研究的数据显示,球状闪电中含有硅、铁和钙元素,竟然与土壤中的元素相同。这一发现支持了一些早期的理论——球状闪电主要是闪电击中地面,与土壤中蒸发了的矿物微粒产生的综合效果。

但是,也有很多科学家认为球状闪电是一团密度不大的常温等离子体。由于“太阳风”和宇宙射线的轰击,使得包围地球的空气被电离成正、负离子和自由电子,形成的离子层。当离子层部分离子和电子集聚,便可能形成球状闪电。

关于球状闪电,科学家们争论不断,唯一能确定的是,球状闪电一般只会在雷暴天气中出现。

看不见的暗闪电

并不是所有的闪电都是可见的。有时候会出现暗闪电,比如强大的伽马射线造成的辐射脉冲。

伽马射线通常只出现在宇宙中,是恒星塌缩的时候被喷吐出来的,产生的脉冲能量是我们平时所见的闪电能量的数百万倍。

然而现在,科学家们也从雷雨中发现了伽马射线。有时候,伽马射线在雷暴雨里突然地大量爆发,仅仅持续几十微秒至几毫秒,我们根本来不及察觉到它的存在。这种极端强烈的能量爆炸被称为”地面伽马射线闪光”。有时候产生的闪光是不可见的,它仅仅是意外的瞬间强烈辐射脉冲,因此,科学家也称其为“暗闪电”。

暗闪电的发生概率约为可见闪电的千分之一,但人被其击中的概率却高得多,主要是在乘飞机的时候。在暗闪电发生时,人们或可以观察到飞机周围发出短暂的蓝色、紫色光芒。在飞机内部,乘客可能无法听到或者感受到任何异样,但他们所受到的辐射剂量的确非常大。

暗闪电最大的蹊跷是它产生的原因。前面说过,暗闪电是一种伽马射线,而伽马射线通常只出现在宇宙中,但为什么在地球大气中会产生呢?科学家们认为,暗闪电来自于高能电子,这些高能电子从闪电产生的电场中获得能量,所以,雷雨就像一把上了膛的手枪,亮闪电扣动扳机,发射出暗闪电。暗闪电一旦被触发,将会以更快的速度使云层放电。科学家们不知道究竟多少高能电子的快速产生才能引发暗闪电,也许每1000次亮闪电能够引发一次暗闪电,但科学家们并不知道确切的数字。

1992年,美国宇航局的“康普顿伽马射线天文台”第一次捕捉到暗闪电,从那以后,对暗闪电的研究一直没什么进展。现在,科学家通过整合美国宇航局的“费米伽马射线望远镜”、地基雷达以及闪电探测器收集到的数据,开始对暗闪电进行详细的分析。通过对暗闪电的研究,科学家们将会打开一扇通往深刻理解气象学中这种极端事件的窗户。

千奇百怪的闪电

大多数的闪电是负极性的——从携带着负电荷的雷暴云底瞬间劈到了地面。然而,偶尔还会有一些闪电起源于雷暴云顶,在那里空气是带正电的。正闪电发生时,“打击”的距离很长,它的能量相当惊人,带有超过30万安培的电流,相当于产生了10亿伏特的电压,这意味着正闪电的威力相当于负闪电的10倍。

正闪电的数量还是相当稀少的,通常只占闪电雷击的百分之五,但是正闪电很有趣,它可能会引发一些其他漂亮的高空放电现象。

我们一般提到闪电的时候,就会很快联想到一道简单的亮光,并且这种简单的亮线式闪电大都发生在雷暴云之下。然而,正闪电引发的放电现象是发生在雷暴云之上的,它们被称为瞬态发光事件。科学家们尚不清楚这些现象产生的原因,一般认为它们源于等离子体的电致发光,其中如红光闪灵、蓝色激流和精灵等等,都属于瞬态发光事件。

最常见的瞬态发光事件是红光闪灵——在雷暴云之上出现的明亮闪烁的红光,大约位于离地面80千米高的空中。1989年,它们首次被照相机拍到,随后不久也在航天飞机录下的视频中出现。有时候,它们甚至也能被肉眼看到,虽然只有几分之一秒。红光闪灵常常像一只位于雷雨上空的红色水母,但有时候看上去又像一个胡萝卜、一个天使或者底部挂着卷须的西兰花。虽然样子美丽,但红光闪灵是相当危险的,它被认为是很多发生在高海拔上的飞机无端出现故障的元凶。

蓝色激流是另一种瞬态发光事件,它们就像是一出怪异的短暂的光舞蹈。这些蓝色的能量爆炸也位于雷暴云的顶部,在离地面大约50千米的高空。它们“行走”的速度达到每秒100千米,只能持续四分之一秒,但蓝色激流仅凭肉眼就可以看到——一个巨大的吓人的锥形体从雷暴云向上空蔓延。比起红光闪灵,蓝色激流似乎更为少见,至今科学家也只有数百张关于蓝色激流的照片。

还有一种瞬态发光事件叫精灵,它们得名于其英文缩写Elves,全称叫做“由于电磁脉冲源造成的超低频微扰和发光现象”,是一种红色的、平扁的、扩展的模糊光环。它们位于大气的最顶层,直径可以达到500千米,但通常只能持续1毫秒的时间。精灵在1990年首次被观察,其实在此之前,科学家们已经预测到它的存在,理论上说,闪电脉冲加热了大气层的底部就有可能激发出这种光晕。

总之,无论哪种闪电,科学家们至今还是不能把握它们形成的准确原因,按照科学家的话来说,“闪电是不可预测的,这限制了我们,让我们难以完美地解释它的一切。从富兰克林的风筝开始,经过数百年的研究,闪电现象仍然是自然界最神秘的事件之一。”


最后编辑于:2015-09-16 19:19
分类: 科学篇
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