科学家首次成功录下闪电的生成过程

闪电示意图。

天文射电望远镜在雷雨天气无法观测深空，科学家反而利用这个机会，调转望远镜的天线来观测云层闪电，无意间揭开了云层内电场强度之谜。

人们以为科学发展到今天，科学家早已经明白了云层内产生闪电的原理。教科书是这样介绍的：云层内较重的大冰粒要下落、而较轻的小冰粒要上升，在这个互动过程中，大冰粒撞击小冰粒导致小冰粒失去电子而带上正电荷，最后云层上方不断聚集带正电荷的小冰粒、下方聚集带负电荷的大冰粒，从而形成一个电场，最后导致大规模放电形成闪电。

可是，科学家发现要产生放电的火花，所需的电场强度是云层内电场强度的10倍左右。这份研究的主要作者之一美国​​新罕布什尔大学（University of Newhampshire）物理学家约瑟夫·德怀尔（Joseph Dwyer）告诉量子杂志（Quanta Magazine）：“在过去几十年里，人们送气球、火箭、飞机到雷暴中心探测，从来没测到过足够强的电场。闪电是如何产生的其实真的是一个谜。”

一个主要的研究障碍是，云层是不透明的，即使最先进的相机也无法透过云层、看到闪电被激发的那一刻云层里面的情况。

德怀尔意外地想到，每道闪电都会产生数百万个射电波，也许利用高精确度的低频射电望远镜（LOFAR）可以发现更多线索。LOFAR是一个大型天文射电望远镜网络，由2万多个天线组成，遍布欧洲52个地点，其中38个位于荷兰。科学家用它观测遥远的星系、爆炸的恒星。可是在乌云密布、闪电交加的日子里，它无法被用于天文观测。

这个研究组利用2018年荷兰一次雷暴天气的机会，调转它的天线，对准上方天空的云层，来观测闪电发出的大量射电信号。研究人员分析了这些数据后，在2021年11月24日发表于地球物理研究通讯（Geophysical Research Letters）的一份论文中报告了他们的发现。

这份研究观测到闪电是这样形成的：冰晶之间的摩擦，导致针状冰晶的一端带正电荷、另一端带负电荷。而带正电的一端会不断从空气分子中吸引电子，大量电子从更远处的空气分子不断流向这些冰晶，就在空气中形成大量起始于这些冰晶的离子空气带。研究人员把这种带状结构称为“流带”（streamers）。

每个冰晶的一端都会生成大量这样的“流带”，而每条流带自身又可以不断分支、分叉。这些流带加热周围的空气，不断把电子从空气分子中剥离，不断增强流向冰晶的电流。最后，某一条流带发展成温度最高、导电性最强的一条，于是突然放出闪电。

研究人员制作了一个视频来动态地展示闪电的生成。研究认为，他们所发现的“流带”机制是云层内电场强度以指数级速度增长的重要原因。

不过研究人员表示这份研究只揭示了闪电被触发这一瞬间的机制，闪电发生的整个过程仍然有很多问题没有答案。合作研究者荷兰格罗宁根大学（University of Groningen）的布赖恩·黑尔（Brian Hare）说：“我们不知道闪电怎样传播、发展以及它怎么和地面连接。”

黑尔说，这份研究第一次使用了LOFAR射电望远镜这个全新的研究方法，开了一个先河，相信不久的将来会有更多的发现。◇＃