关于闪电的那些事

文章作者:管理一号 | 2019-05-29
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每天都有数百万次的闪电划过天空,以前数万年,人类现已无数次的目击过这种现象了。地球的生命也很有或许源于闪电。在1952年,化学家哈罗德·乌里(Harold Urey)和他的研讨生斯坦利·米勒(Stanley Miller)在实验室里证明了这个主见。当时,他们仿照了前期的生命环境并把它暴露在人工闪电下。令他们高兴的是,他们毕竟得到了由生命的基石也就是氨基酸组成的“原始汤”。依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。威尔逊以为,当闪电在非洲大草原上燃烧大型动物时,将整具尸身都烧熟了,可以随时食用,人类的祖先从中取得了高蛋白、促进大脑发育的食物。相同的,闪电为我们祖先供应了可捕捉的火焰,以便家里的火可以一贯燃烧。人类的哲学和文明正是在篝火周围(闪电使之成为或许)发生的。

前期的人类只看到了闪电的巨大力气,对它的电学功用及其对生命和进化的影响一无所知,他们以为闪电直接来历于诸神——其间最出名的是希腊主神宙斯,他从奥林匹斯山上扔下丧身的雷电。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发生了雷鸣和闪电。其他文明,从日本到斯拉夫,也有类似的神灵。

 

这些前期的联想或许可以说明为什么闪电标志着大天然令人敬畏的力气以及创生。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身组成的怪物(鲍里斯·卡洛夫[Boris Karloff]扮演)更健壮。闪电也代表以眩目的速度传导的压倒性力气。军事徽章一般以闪电为特征,自第2次世界大战以来,全副武装的军用飞机被命名为闪电和响雷。在那场战争中,纳粹称他们在欧洲建议的快速突击为“响雷战”。他们把党卫军单位的首字母写成两个闪电的形状,进一步加强了标志含义。

“高压”标志仍然是可怕的闪电,但闪电也已成为电力的广泛标志,为我们服务。像我的智能手机这样的数字设备只运用很小的无害的电压,但手机在充电时会闪现出一个小小的闪电。几十年来,电力行业一贯用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。

 

闪电这种广泛存在的电现象在地球上存在了很长期,但它的来历至今仍是个谜。“我们对世界中的一起天体的了解铢积寸累,但是具有讥讽意味的是,我们居然不了解距离我们头顶几英里的闪电的来历是什么”物理学家Joseph Dwyer和马丁在2014年的一篇该领域的总述中如是写道。更具讥讽意味的是,我们现在需求火燎的了解闪电是因为人类活动和气候改动在很大程度上加剧了闪电对全球的损坏。

人类从科学的角度查询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天然原因:火、风和云之间的磕碰。大约在公元前340年,亚里士多德相同断言“干呼气”——一种从地球上升起的可燃气体——引起雷声,然后燃烧发生闪电;他写道,我们会先看到闪电,因为“视觉比听觉快”。

直到18世纪科学家们初步用电火花进行实验,闪电发生的机制这一微妙的面纱才被揭开。这项作业让他们意识到闪电也是相同的现象——在云层和地上之间发生巨大的电火花。才学过人的本杰明·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出名的实验,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。这一作用敞开了闪电研讨的新时代。

 

尽管富兰克林的研讨在取得打破后仍在继续,但两个世纪之后,人们才对闪电有了新的严峻发现。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构成的“引线”——空气中电流可以活动的通道。与从带电云到地上的火花这一简略而如同现已建立的观念不同,卡塞米尔的观念意味着,我们所看到的闪电是通过一系列凌乱的进程发生的,因此他的观念一起得不到重视,直到上世纪80时代,飞机上的测量作用证明雷雨云内部和附近确实存在带正电荷和负电荷的区域。

当研讨人员找到了承认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联络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、冰箱和电视机所运用的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进程。研讨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世界闪电研讨与测试中心的德怀尔、乌曼和其他科学家多年来现已检测了约400个触发闪电。

通过这些极力,研讨人员了解到,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),以及零度以下仍坚持液态的过冷水时,就会发生闪电。互相作用在云的顶部和底部分别发生正电荷和负电荷,而在云的下方一般是正电荷区域。相反的电荷增加并互相吸引,直到它们之间的电场初步撕裂中心的空气,而且发生电流。这是卡塞米尔提出的“引线”,它可以发生在云中,云与云之间,或云到地上之间。

 

高速摄像机闪现,最常见的雷击是由一系列“引线” (一般光线太暗,肉眼无法看到)以之字形将电子向下运送时发生的。靠近地上时,电子与下面的正电荷互相作用,使空气完全可以带着电流。作用,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上。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,宣告耀眼的亮光,灵敏胀大的空气发生了雷声。其他的效应也会随之而来,但总是伴随着能杀死或损害生物几千安培的电流,而且它们带着着满意的能量来燃烧或摧毁它所碰击的物体。

尽管我们可以大致地追溯闪电的发展进程,但是我们仍然对一些细节没有满意的知道。我们尚不清楚冰、过冷水和霰怎样互相作用以分别正电荷和负电荷。另一个疑团是:从我们所知道的关于电的全部知识来看,在先导物构成之前,穿过正电荷和负电荷之间的空气空地的数百万伏特的强电场是必要的。云层内部的测量标明,内部磁场从未抵达这个水平——但是闪电仍是发生了。这就是为什么德怀尔和乌曼以为闪电的诞生是大气科学中最大的疑团之一。

处理这些难题将具有实际含义,因为闪电正变得更具损坏性。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。但是在以前的几十年里,雷电构成的人员去世、建筑物损坏、打乱航空和电力系统、引发野火和森林火灾的或许性不断增加。这在很大程度上是因为人类活动导致的全球变温暖大气污染。这些会促进对流,即暖空气和水汽的上升,然后构成雷暴,然后发生更多的闪电。以色列的跨学科中心的大气科学家Yoav Yair指出另一个要素:人们在城市区域日益增加的密度——现在为55%,估量到2050年将抵达68%,高楼大厦、空气污染使雷击的或许性更大。

 

这些改动的影响很大。例如,Yair指出,在东亚、南亚和东南亚,闪电对飞机航班构成的烦扰是一个日益严峻的问题。这一亚太区域包含一些易遭雷击的首要区域,其航空交通量正以每年近5%的速度增加。在另一个比如中,澳大利亚和美国的研讨人员分析了澳大利亚、南非和南美洲或干旱或湿润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改动联络起来,以为这是因为雷击次数的增加并使得火焰更简单被点着。

关于这些危险,我们的一种反应是跟踪闪电,这也有助于研讨。闪电是一种健壮的电磁辐射源,大部分频率低于500千赫(AM无线电频段从540千赫初步,这就是为什么闪电在AM刻度盘的底端发生静电)。在这个范围内作业的传感器可以快速地对远距离雷击的方位进行三角测量。例如,全球闪电定位网络(World Wide Lightning Location Network, WWLLN)运用了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)及其伙伴运用WWLLN的数据发现,印度洋和我国南海两条繁忙的航道上空发生闪电的频率是附近海域的两倍。研讨人员估测,这种差异来自船只燃烧化石燃料时开释的气溶胶颗粒。这是大气污染增强闪电的有力依据。闪电定位系统还可以监测极点气候,保护机场的航班工作。2013年,一个定位系统为短少气候数据的菲律宾棉兰老岛承认了数百公里远的一场强台风的工作轨迹, 

当闪电与大气中的氧气和氮气互相作用时,会发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勘探到,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和她的伙伴对卫星数据进行了全面的分析。他们承认非洲和亚洲区域是闪电高度生动的地址,委内瑞拉的马拉开波湖是地球上闪电最生动的区域。因为它一起的气候和地形,均匀每年发生297天的雷暴。该区域每年均匀每平方公里发生233次闪电,而全球均匀每平方公里发生6次闪电。我们毕竟的政策是将这些数据与闪电活动的模型结合起来,然后长期猜想闪电将突击的地址。

 

为了防雷,我们还需求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动静,标明能量水平很高。另一个条理是闪电发生x射线和伽马射线。就像日内瓦附近欧洲核子研讨中心的大型强子对撞机相同,人们以为这些现象的发生是因为伴随闪电而来的电场将基本粒子(这儿指的是电子)加速至很高的能量,这些高能粒子发生x射线,而且引发核反应的伽马射线。

尽管很难测量闪电击中物体所传递的能量有多少,但一种研讨“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,就会发生这种现象。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(现已发现了其他长达5米的fulgurites)。运用已知的将二氧化硅(沙子的首要成分)玻璃化所需求的热量,研讨人员发现,闪电只花费了很小一部分能量就能将沙子变成玻璃。

但是,传输的功率取决于政策材料。2017年,宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)的陈江志(音译)和伙伴研讨了花岗岩中的富尔古石,雷击会在它内部发生高压冲击波。在这儿,研讨人员发现,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,融化后构成一层玻璃。这可与陨石碰击构成的毁灭性影响相提并论。进一步的研讨将衡量其他材料的这些影响,并为规划恰当的保护办法供应依据。

 

科学家们想知道,闪电包含的高能量具有巨大的损坏性,但是也有或许为人类供应免费的可再生动力。在马拉开波湖,在每年每平方公里233次闪电中,每一次可取得10亿瓦特的电能,就可以为20户居民供应电力。这将需求建立一个收集站网络来捕捉闪电,储存不定期抵达的电涌,并依据需求向用户分发电力,这是一项凌乱的工程项目,在经济上无法与其他动力比赛。但是,一旦我们了解了闪电的陈腐隐秘——是什么触发了闪电——或许我们就能学会怎样在闪电构成损害之前就阻遏它,以及怎样把它会合在可以收集和运用它的能量的当地。

不论对一般闪电还有什么疑问,人们对球状闪电这种稀有而一起的方法的了解就更少了。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年的一位前期目击者描绘了一个直径逾越2米的火球进入英格兰德文郡的一座教堂,构成4人去世,并毁坏了教堂。据报道,在现代还有不可胜数的其他目击工作,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说明这一特别的现象,但因为短少一定量数据,现在还没有明晰的说明。

但是,在2012年,查询一般闪电的我国科学家幸运地看到,闪电对附近的地上碰击构成了一个发光的球。他们记录了相片和视频,以及球状闪电的第一个光谱,这个光谱中包含硅——土壤的首要成分。这一作用支撑了2000年提出的一个理论,即雷击将地上上的硅转化为纳米颗粒方法的硅化合物时,就会发生球状闪电。引申到空气中,这些物质以相对较慢的速度氧化,发生一种一起而耐久的发光源。这一假定没有得到证明。

尽管这个疑团一贯存在,但我们现有的知识现已帮忙我们研讨了其他有大气层的天体,比如木星。这颗行星闪现出许多的闪电活动,旅行者1号世界飞船在1979年初度观测到这一现象,而且从2016年初步环绕木星工作的朱诺号世界飞船现在也观测到了这一现象。朱诺号现已勘探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别发生的,就像在地球上相同。但是地球上的闪电在赤道附近最为布满,而木星上的闪电则会合在南北极附近。这是了解木星上的水分布和行星大气动力的重要条理。

艺术家描绘的木星闪电

在土星上也观测到了许多闪电,它有自己生动的大气层。令人惊讶的是,火星——其淡漠的二氧化碳大气中——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相同,这些放电来自火星上常见的强沙尘暴带着的细微颗粒之间的抵触。

火星闪电之所以吸引人,是因为这颗行星假设不是现在的外星生命存在的当地,也或许是以前的外星生命存在的当地。从2008年初步,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。这些引起了人们的留心,因为它们可以为或许生活在古火星上的某些微生物供应养料。高氯酸盐的含量比火星地质条件体现出的要多,这暗示着它们是由闪电构成的。现在,一个世界研讨小组刚刚发现,在仿照火星环境下的放电会发生许多高氯酸盐,这对研讨外星生命的进化具有重要含义。

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控制下的时代和1952年米勒-尤里(Miller-Urey)的实验,该实验初度寻求对生命来历的科学说明。闪电体现了人类从信奉神控制的世界到信奉我们可以掌握的天然世界的进化,其间的微妙还有待处理。

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