闪电究竟有多快

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闪电究竟有多快
究竟什么引发了闪电? 答案可能并不存在于地球上 当闪电发生时,在地球的大气层中会发生约10次叉状闪电（闪电的枝如果看来同时到达地面,则称为叉状闪电）.每次闪电都以光速的1/3行进,温度热到接近太阳的光环,携带着大约是现在家用电流10,000倍的电量.更奇怪的是,每年闪电引发了北美三分之一的停电,而在世界范围内每年被雷劈死的人也有数以百记. 闪电所携带的电能也是研究人员长期以来困惑的原因.1752年,本杰明?富兰克林将一个风筝放飞到暴风雨的云层中,证明了它可以被充电.但是,在一朵云中,相对适度的内置电荷能引起令人印象深刻的闪电秀,仍然是未解之谜.在美国墨尔本佛罗里达技术学院研究闪电的乔?杜威说：“没有人理解这里将发生什么,人们都在猜测,但我们没有线索,几百年过去了,这种情景实在让人难堪.” 现在,这个谜就要被揭开了.X射线发射对闪电探测到的结果,为我们曾经一度颇有争议的理论得到了最初的证实,即：闪电来自外太空. 闪电来自宇宙射线的趣闻报告 闪电是储存在电场中的幽闭电荷的释放.在一朵雷雨云中,电场是由冰粒子之间的碰撞产生的.电荷大体上是阴性的,会诱导地面千万米以下的正电.最终,闪电和地表之间的空气被电离,且从云到云或从云到地引导电荷作为霹雳闪电释放. 但是,在这个解释中有个问题——空气只可能在电场达到每米2500千伏时才能电离.几个世纪以来,人们经常用风筝、气球和飞机进行危险的测量,获得了很多雷云区域的测量数据.1753年,一位俄国科学家在试图复制富兰克林风筝飞行实验的时候不幸被雷电击毙.但是,没有人发现暴风云中存在足够强到可以引发空气电离的电场.典型的电场电压在每米100千伏到400千伏,比空气电离所需要的电场的1/10还要小. 有些人争论,研究闪电的科学家可能只是简单地错过了小范围的高强电场.美国大平原上的大暴风雨可以到达10千米高,跨越100,000平方公里.就算相对小的雷暴也可以覆盖2500平方公里.英国曼彻斯特大学的大气物理学家克莱夫?梭德就认为在空中某个地方有可能存在强电场.但越来越多的流行解释是：人们一直没有发现过强电场,是因为高空根本没有强电场.在美国快城南达科他采矿技术学校工作的闪电模型师约翰?海尔森说：“我们所做的看不见强电场的测验越多,我们错过它们的机会越少.” 几年以前,闪电科学家开始寻找其他可能引发空气电离的方式,现在已经有了明确的假设：宇宙射线.它们是接近光速直冲太空的高能粒子,每秒钟数以千计的高能粒子轰击每平方米的地球大气层,很多宇宙射线都仅仅是银河间的穿行.1992莫斯科P.N.Lebedev物理研究所的亚历山大和古列耶维奇提出一种假说,认为宇宙射线可能形成了闪电. 当一道宇宙射线冲击地球的大气时,它可以撞击到空气分子,使之电离,并生成一种极高能量的电子.在靠近一个暴雨云中的电场中,这种电子可以加速到接近光速,然后就撞击和电离其他的空气分子.然后在系列反映中产生出越来越多的电子.这种接下来的电子雪崩能够电离空气,允许电荷流动.古列耶维奇称这种理论为“逃逸崩溃”（runaway breakdown）.这种理论最初被认为是相当不入流的,但由于缺乏其他的解释,现在已经变成了主流.该理论的主要优势就是它并不需要一个很大的电场去启动——大约每米300千伏,和一般暴风云中的测量到的电场强度类似.而接近光速的运动电子可以散发出如x光或伽马射线一样的高能辐射,这给验证这个理论提供了一种途径. 发现趣闻报告的证据 2001年,美国新墨西哥采矿技术研究所的查理?摩尔和同事首次发现了这种逃跑崩溃理论的直接证据.他们从一个附近的先头闪电中录制了X射线的发射.这种先头的闪电几乎是以不可见的电流蹒跚抵达地表的.每个闪电可达50米到100米长,有50微秒的间隔隔开.通常先头的闪电是负电的,但当它接触到地表的时候,一下子收集到正电电荷随即被拽到天空.当这两个路径相遇的时候,天和地之间就形成了回路,闪电就被释放出来了. 几十年来出现过不少关于闪电发出X光的趣闻报告,但摩尔的报告让研究人员们兴奋不已,美国佛州国际闪电研究和测试中心的副主任马丁?休曼说：“摩尔的观察让很多人认为能量辐射可能是真的,但是这个问题仍然需要证实或否定,我们仍然不能确定它不是一个谬误.” 杜威、休曼和同事开始用另一种方式来验证该理论.他们通过向暴雨云中发射火箭来引发它们产生闪电,休曼说,这样比干等着自然闪电出现有好处.他说,“你可能等了一个夏天才等来一两次可以看到的闪电雷鸣.”根据摩尔的报告,这些科学家们从2002年,开始用X射线探测器观察这些人造的闪电.令人吃惊的是,在2002年的夏天他们观察到的31次闪电有31次放射出X射线,似乎这些火箭引发了逃逸崩溃,或许,也正是宇宙射线导致了自然界的闪电. 研究人员从最原始的观察开始,逐渐改进他们的X射线能量的测量方法.去年他们用大约150,000电子伏特的测能装置记录到X射线爆发的微秒瞬间.这种能量符合一次逃逸崩溃中的电子能量,它们大约在50米左右的距离内喷流,这是发生一次Z字形闪电步骤的典型距离.杜威对这样的研究结果特别满意,他说：“分布的过程决定闪电要向哪里去,以及如何分叉.但是闪电的步幅特别神秘,没有人准确地知道它下步怎么走和为什么要那样走.” 逃跑崩溃理论解释了这一点.在崩溃被引发前它在空气中很短距离内建立起电场,然后,这些电荷移动到另一个位置,又重新建立起一个电场. 然而,正如人们发现的有关逃跑崩溃理论的证据一样,这一理论中宇宙射线引发电子喷流的线索也日益增多.今年2月,美国密西西比大学的托马斯?马歇尔和同事发表了一篇报告：他们在美国新墨西哥州的一座山上的暴风雨云中用气球测量,把一个携带着电场的遥控气球发射到暴雨云中,通过变换气球的位置比较了闪电的时间和位置.两个闪电发生之时正是在云端电场从开始的281千伏/米过渡到逃逸崩溃的刹那间. 宇宙射线如何诱发闪电 但是,研究人员观察到一个奇怪的现象,他们仔细研究了他们发现的三次闪电中的一次,结果是即便局部天空中的电场达到345千伏/米,它也会在接地闪电前停留整整40秒.闪电为什么要延迟?马歇尔说,“它可能正是在等待一条更大的宇宙射线将其发射出来.”这正是逃逸崩溃理论的未解问题：如果逃逸崩溃恰恰是被宇宙射线所激发的,那么宇宙射线到底是如何诱发了这种高能放电呢? 2003年,古列耶维奇假设,你可能需要一个能量至少在1016电子伏特的粒子,但是这种能量的宇宙射线仅以每50秒1次的速度袭击每平方米的地表,这种频率不足以说明全球的闪电活动.当杜威再次查看了2002年到2004年X射线能量仪记录的先头闪电.他发现这些数据表明,逃逸电子的能量比古列耶维奇预测的宇宙射线的喷流小20倍.马歇尔认为这是非常令人困惑的.但是,杜威的观察仅仅是利用X射线测量先头闪电.古列耶维奇的宇宙射线预测可能还是要应用在云端逃逸崩溃的起始上. 2003年夏天,杜威从一朵打闪的云上记录了一次比X射线爆发更厉害的伽马射线爆发,这种高能事件更符合古列耶维奇的预测.云端上伽马射线的爆发已被较为详尽地研究过,因为人们可以通过卫星从上面观察它.最开始的时候,这些闪电理论学家都对伽马射线的闪烁感兴趣,因为他们认为这可能与另外一个闪电之谜——“精灵”有关.精灵是由‘云顶’向‘中气层’放电的一种现象.‘中气层’所涵盖的范围约在高度四十千米到九十千米这段区域（暴雨云大约距离地面10千米到16千米）. 杜克大学的“精灵”研究者史蒂夫?库莫尔指出,RHESSI从上面可以看到伽马射线的闪烁并计出精灵的位置和时间交叠.但他研究26条闪烁的伽马射线,没有一条和一个精灵闪电有关.它们似乎都来自雷云高度的区域而不是更高一畴的精灵所发生的区域. 库莫尔指出,“当然,看起来像是陆地上的伽马射线闪烁与闪电的发动过程有关.”但是该理论还存在一些问题：比如地面上没有足够的伽马射线爆发来说明地球上所有的闪电活动. 不管怎么说,研究人员开始确信,闪电是由某种逃逸崩溃所引发的.而且他们已经得到了高空中云层中的一些宇宙射线可能诱发闪电的间接证据.但是,迄今为止,科学家还不能确定逃逸崩溃总是由宇宙射线导致的.
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