《地球物理研究快報》：閃電實際上是在雷云中觸發(fā)的
（神秘的地球uux.cn報道）據(jù)cnBeta：在 2018 年夏季的一場風暴中，一道重要的物理閃電在荷蘭的一個射電望遠鏡網(wǎng)絡上方閃現(xiàn)。而這些望遠鏡最近才處理的研究云中詳細記錄揭示了以前沒有人見過的東西：閃電實際上是在雷云中觸發(fā)的。
在一篇即將發(fā)表在《地球物理研究快報》（Geophysical Research Letters）雜志上的快報新論文中，研究人員利用這些觀察結果解決了關于什么觸發(fā)閃電的閃電實際上雷長期爭論--這是閃電產(chǎn)生、成長和傳播到地面的地球神秘過程的第一步。
新論文的物理共同作者、來自格羅寧根大學的研究云中閃電研究人員布萊恩·哈雷（Brian Hare）說：“這有點令人尷尬。這是快報地球上能量最大的過程，我們有圍繞這個東西的閃電實際上雷宗教，但我們不知道它是地球如何工作的”。
教科書上的物理描述是，在雷云中，研究云中冰雹隨著較輕的快報冰晶上升而落下。冰雹擦掉了冰晶的閃電實際上雷帶負電的電子，導致云的頂部變得帶正電，而底部變得帶負電。這就產(chǎn)生了一個電場，這個電場不斷擴大，直到一個巨大的火花跳過天空。
然而，云層內(nèi)的電場大約弱了 10 倍，無法產(chǎn)生火花。新罕布什爾大學的物理學家約瑟夫·德懷爾（Joseph Dwyer）說：“幾十年來，人們一直將氣球、火箭和飛機送入雷暴中，但從未見過足夠大的電場。這一直是一個真正的謎，它是如何開始的”。他也是這篇新論文的共同作者，二十多年來一直在思考閃電的起源。 一個很大的障礙是，云是不透明的；即使是最好的相機也無法窺視其內(nèi)部以看到啟動的時刻。直到最近，這使得科學家們沒有什么選擇，只能冒險進入風暴中--自 1752 年本杰明-富蘭克林的著名風箏實驗以來，他們一直在嘗試這種做法。
(根據(jù)同時代的描述，富蘭克林將一把鑰匙掛在風箏上，在雷云下放飛，觀察到風箏通了電。） 最近，氣象氣球和火箭提供了內(nèi)部的快照，但它們的存在往往會干擾數(shù)據(jù)，因為它們?nèi)藶榈刂圃炝瞬粫匀话l(fā)生的火花。Dwyer 說：“長期以來，我們真的不知道雷暴內(nèi)部在閃電發(fā)生的時間和地點是什么情況”。
因此，Dwyer 和他的團隊轉向了低頻陣列（LOFAR），這是一個主要在荷蘭的由數(shù)千個小型射電望遠鏡組成的網(wǎng)絡。LOFAR 通常凝視著遙遠的星系和爆炸的星星。但據(jù) Dwyer 說，"它恰好對測量閃電也非常有效"。
當雷暴從頭頂滾過時，LOFAR 能做的有用的天文學就很少了。因此，該望遠鏡調(diào)整其天線，以探測從每個閃電中發(fā)出的一百萬左右的無線電脈沖。與可見光不同，無線電脈沖可以穿過厚厚的云層。
使用無線電探測器來繪制閃電圖并不新鮮；專門建造的無線電天線早就在新墨西哥州觀測到了風暴。但是這些圖像是低分辨率的，或者只是二維的。LOFAR，一個最先進的天文望遠鏡，可以在三維空間中以一米一米的尺度繪制照明圖，而且?guī)时纫郧暗膬x器快200倍。Dwyer 說：“LOFAR 的測量讓我們第一次真正清楚地了解到雷暴內(nèi)部發(fā)生了什么”。
一個實體化的閃電會產(chǎn)生數(shù)以百萬計的無線電脈沖。為了從混亂的數(shù)據(jù)中重建一個三維閃電圖像，研究人員采用了一種類似于阿波羅登月時使用的算法。該算法持續(xù)更新關于一個物體位置的已知信息。單個無線電天線只能顯示閃光的大致方向，而增加第二個天線的數(shù)據(jù)就能更新位置。通過穩(wěn)定地循環(huán)使用LOFAR的數(shù)千根天線，該算法構建了一個清晰的地圖。
當研究人員分析2018年8月閃電的數(shù)據(jù)時，他們看到無線電脈沖都來自風暴云深處一個70米寬的區(qū)域。他們很快推斷，脈沖的模式支持關于最常見類型的閃電如何開始的兩個主要理論之一。
閃電從云層內(nèi)的冰晶簇開始。針狀晶體之間的湍流碰撞刷掉了它們的一些電子，使每個冰晶體的一端帶正電，另一端帶負電。正面的一端從附近的空氣分子中吸取電子。更多的電子從更遠的空氣分子中流入，形成從每個冰晶尖端延伸出來的電離空氣帶。這些被稱為流線（streamers）。
每個晶體尖端都會產(chǎn)生成群的流星，單個流星會一次又一次地分支開來。流線加熱了周圍的空氣，從空氣分子中大量地撕扯出電子，從而使更大的電流流向冰晶。最終，一個流線變得足夠熱和導電，變成了一個龍頭--一個成熟的閃電條紋可以突然沿著這個渠道行駛。
荷蘭埃因霍溫科技大學研究閃電啟動的物理學家Ute Ebert說："LOFAR所設定的步驟當然非常重要。她說，LOFAR的啟動電影為建立精確的閃電模型和模擬提供了一個框架，而到目前為止，由于缺乏高分辨率的數(shù)據(jù)，這些模型和模擬一直受到阻礙。
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