閃電化學(xué)故事

編譯 希區(qū)客

飛向強(qiáng)烈而短暫的閃電，探索其周圍的大氣化學(xué)，這無疑是一項(xiàng)壯舉。以下這個(gè)故事值得好萊塢拍一部根據(jù)真實(shí)事件改編的大片。

2012年初夏，美國宇航局（NASA）的飛行員駕駛DC-8機(jī)載實(shí)驗(yàn)室，飛至美國中部大平原上空，嘗試對(duì)雷暴做近距離的科學(xué)觀察。雷暴聲勢(shì)越浩大，對(duì)研究工作越有利。

每架飛機(jī)都搭載了一群優(yōu)秀的化學(xué)家以及他們的分析儀器。這組地球科學(xué)實(shí)驗(yàn)室機(jī)隊(duì)肩負(fù)美國宇航局“深對(duì)流云和化學(xué)”調(diào)查活動(dòng)的重任，旨在研究大規(guī)模雷暴對(duì)大氣化學(xué)的影響。化學(xué)家團(tuán)隊(duì)試圖通過比較進(jìn)入和離開雷暴的空氣的分子組成，來了解強(qiáng)對(duì)流和雷擊對(duì)大氣化學(xué)成分的影響。他們預(yù)期該研究將與一系列大氣問題關(guān)聯(lián)，包括城市空氣污染和溫室氣體產(chǎn)生等。

美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的大氣化學(xué)家威廉?布魯恩（William Brune）是此項(xiàng)目的科學(xué)負(fù)責(zé)人之一，負(fù)責(zé)決定把哪場(chǎng)雷暴選作追逐目標(biāo)，并且在多數(shù)情況下都坐在駕駛艙的彈射座位。他回憶道：“飛行員們太棒了。他們不會(huì)靠雷暴太近，但又保證我們足夠接近，可以最大限度了解進(jìn)出雷暴的空氣。在這些雷暴周圍飛行，在砧狀云間穿梭，這種體驗(yàn)太震撼了。”飛行員借助雷達(dá)，繞過雷暴核心，盤旋進(jìn)入云砧。

事實(shí)證明，關(guān)于雷暴的科學(xué)數(shù)據(jù)和雷暴的特寫一樣壯觀。在幾次飛行中，研究團(tuán)隊(duì)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，雷暴周圍的羥基濃度高到不可思議，比之前任意一次大氣測(cè)量得到的活性基濃度都高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這些基團(tuán)作為地球大氣的主要氧化劑，是空氣能夠自我凈化的關(guān)鍵；而新發(fā)現(xiàn)在令人費(fèi)解的同時(shí)，也極具科學(xué)潛質(zhì)。

飛行實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過大量改造，配備了專用的儀器對(duì)雷暴云內(nèi)部和周圍的大氣進(jìn)行采樣

在“觀雷”的最后一次飛行十年后，布魯恩和同事發(fā)表關(guān)于超高羥基濃度的最新研究，指出閃電對(duì)大氣化學(xué)的影響比以前想象的要深遠(yuǎn)得多。

高能下的氮和氧

一道閃電只有大約2～3厘米寬，卻足以照亮天空。它們攜帶巨大能量，可將周圍空氣加熱至30 000℃，這可比太陽表面熱得多。

在閃電與地面交匯之處，我們可通過觀察遭遇雷暴襲擊的景物了解其威力——被閃電直接擊中的參天大樹變得四分五裂。長達(dá)5 000米的閃電在空中也極具破壞力，其附近的任何分子都將被“撕裂”成原子。這些分子大多為二氮（N2）和分子氧（O2），空氣的兩大主要成分。原子冷卻后會(huì)與新伙伴重組形成分子。

布魯恩說道：“我們清楚地觀察到閃電迸發(fā)的30 000℃級(jí)別能量，以及非常獨(dú)特的化學(xué)反應(yīng)。溫度對(duì)于閃電制造一氧化氮（NO）至關(guān)重要，而且這個(gè)重要性不只體現(xiàn)于加熱階段；空氣必須以極快速度冷卻，遠(yuǎn)快于1毫秒的那種，從而凍結(jié)得到NO，如若不然，高溫分解的N2和O2又會(huì)變回老樣子?！?/p>

透過機(jī)窗看到聚集的風(fēng)暴

雷暴過后，NO可與其他氧和氮的原子或分子發(fā)生一系列反應(yīng)，產(chǎn)生兩種關(guān)鍵物質(zhì)，二氧化氮（NO2）和臭氧（O3）。在全球大氣成分體系中，每次發(fā)生的雷擊可能只是個(gè)小事件，但地球每天要經(jīng)歷超過300萬次雷擊，疊加后的影響將不再微小。

雷暴對(duì)臭氧產(chǎn)生和分布的影響是大氣化學(xué)家瑪麗?巴特（Mary Barth）的研究重點(diǎn)。巴特在位于科羅拉多州博爾德的美國國家大氣研究中心任職，她表示：“地面處的O3是一種污染物，會(huì)導(dǎo)致健康問題；而在對(duì)流層上部，來自雷暴的O3是一種溫室氣體?！?/p>

雷暴能以多種方式影響臭氧水平。例如，甲醛是空氣污染的常見成分，也是一種臭氧前體，根據(jù)巴特的說法，它們會(huì)被雷暴的強(qiáng)大對(duì)流牽引向上，“但部分甲醛將溶解入云滴，被雨水帶走，而非向上輸送，這會(huì)改變化學(xué)平衡?！?/p>

要搞清楚臭氧作為對(duì)流層上部溫室氣體的作用，一個(gè)關(guān)鍵任務(wù)是量化受雷擊驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的主要前體，即閃電衍生出的NO2的產(chǎn)量。NO2在陽光作用下分解為NO，釋放出的一個(gè)氧原子可與O2結(jié)合生成臭氧。

巴特表示：“數(shù)十年來，人們一直在研究閃電產(chǎn)生的氮氧化物——其形成過程、頻率以及單次產(chǎn)量?！辈贿^我們對(duì)閃電衍生氮氧化物（NOX）的了解仍非常有限。雖有報(bào)道稱每次閃電產(chǎn)生32～664 mol的NOX，但這個(gè)巨大的區(qū)間充滿不確定性。巴特稱：“對(duì)我來說，這仍是一個(gè)非常新鮮的領(lǐng)域。我認(rèn)為我們可以做得更好。”

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)NOx和羥基自由基的形成特別感興趣

前文提到的2012年“深對(duì)流云和化學(xué)”項(xiàng)目，其主要目標(biāo)正是測(cè)量雷擊產(chǎn)生的NOX。巴特說道：“我們?cè)缟掀鸫埠螅c天氣預(yù)報(bào)員交流，他們會(huì)告訴我們不同地區(qū)發(fā)生雷暴的可能性。”研究團(tuán)隊(duì)將飛到一個(gè)可能的雷暴地點(diǎn)，對(duì)空氣做采樣，等待雷霆到來?！叭缓筠Z隆隆，電閃雷鳴就來了。俄克拉何馬州出現(xiàn)驚人的大雷暴，形成速度非?？臁！?/p>

“遇到雷暴后，我們會(huì)一邊收集數(shù)據(jù)，一邊看計(jì)算機(jī)顯示的觀察結(jié)果。”在一次飛行中，飛機(jī)被雷電擊中，不過好在只劈出了個(gè)小拇指大小的洞。

巴特等人的測(cè)量結(jié)果將原來32～664 mol的NOX大區(qū)間縮小至142～291 mol。要預(yù)測(cè)某次雷暴的NOX產(chǎn)量，或通過計(jì)算機(jī)模擬大氣化學(xué)過程來準(zhǔn)確預(yù)測(cè)NOX形成過程，仍是極難實(shí)現(xiàn)的。巴特說道：“有時(shí)我覺得每場(chǎng)雷暴都獨(dú)一無二，但我們獲得了一些更棒的線索。僅考慮單次閃電產(chǎn)生的NOX可能讓你遺漏一些關(guān)鍵參數(shù)。我們認(rèn)為氮氧化物產(chǎn)量與閃電長度有關(guān)——當(dāng)閃電較短時(shí)，其發(fā)生頻率更高?！?/p>

自由的磷

閃電不僅能影響大氣化學(xué)成分，接觸地面后，也可改變地球的化學(xué)成分；這種改變或許是生命起源的關(guān)鍵。

當(dāng)本杰明?赫斯（Benjamin Hess）在美國伊利諾伊州惠頓學(xué)院讀本科時(shí)，附近城鎮(zhèn)有戶人家在自家草坪遭雷擊后聯(lián)系了地質(zhì)部門。此次事件創(chuàng)造了一種玻璃質(zhì)材料——閃電熔巖/雷擊石。雷擊石一經(jīng)發(fā)掘，就被赫斯收入研究項(xiàng)目。他說道：“我把它切開時(shí)不知道會(huì)發(fā)現(xiàn)什么。”

赫斯借助拉曼光譜儀和掃描電子顯微鏡研究樣品，發(fā)現(xiàn)閃電熔巖中含一種名為磷鐵鎳礦的礦物，其中磷與鐵結(jié)合，呈高度還原態(tài)。地球中的磷通常被鎖定于磷酸鹽等不溶性礦物質(zhì)內(nèi)，而磷鐵鎳礦是一種水溶性磷源，可參與化學(xué)反應(yīng)。

研究團(tuán)隊(duì)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，早期地球上因閃電產(chǎn)生的還原態(tài)磷可能對(duì)生命出現(xiàn)至關(guān)重要——它們帶來了包括脫氧核糖核酸（DNA）、核糖核酸（RNA）、磷脂和腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）在內(nèi)的含磷生物分子。

20世紀(jì)50年代，斯坦利?米勒（Stanley Miller）和哈羅德?尤里（Harold Urey）開展了一系列關(guān)于雷擊的著名研究。這些研究通常將閃電推斷為觸發(fā)早期地球產(chǎn)生生命相關(guān)化合物的火花。赫斯表示：“早期地球的環(huán)境，包括那些礦物巖石，都含大量氧元素，磷等關(guān)鍵元素都與氧結(jié)合。但當(dāng)閃電參與進(jìn)來后，物體瞬間被加熱至數(shù)千度，磷與氧的化學(xué)鍵都被破壞，從而能和鐵之類的物質(zhì)結(jié)合（磷鐵鎳礦就是個(gè)例子），緊接著，它能發(fā)生自由反應(yīng)，形成其他分子?！?/p>

因?yàn)榱阻F鎳礦是某些類型隕石的常見成分，所以有研究者認(rèn)為，早期地球上的還原態(tài)活性磷或許源于地球外星系。赫斯的結(jié)果顯示，閃電同樣可能是重要來源，尤其是在太陽系成熟，隕石撞擊減少以后。

羥基的激增

高強(qiáng)度的夏季雷暴往往是宣泄式的，一旦雷停雨歇，周遭就變得天朗氣清。閃電引起的NO濃度飆升觸發(fā)了一系列反應(yīng)，大氣收到更多O3，以及主要的清潔氧化劑，羥基自由基。

20世紀(jì)70年代，科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)，羥基可顯著影響大氣中許多自然和人工化合物的壽命。布魯恩回憶道：“有一段時(shí)間，羥基測(cè)量成了重點(diǎn)工作。因?yàn)榇髿饬u基含量也就萬億分之幾十，因此難以精確測(cè)量，很多因素都會(huì)干擾測(cè)量結(jié)果?！?/p>

最終，研究者開發(fā)了兩種方法用于準(zhǔn)確測(cè)定空氣里的羥基含量。一種基于質(zhì)譜：令羥基與同位素標(biāo)記的二氧化硫（SO2）反應(yīng)，生成可電離和檢測(cè)的同位素標(biāo)記的硫酸。布魯恩認(rèn)為此方法“奇怪卻有效”。不過他選用了另一種方法，基于羥基對(duì)某些波長紫外光的特征吸收。布魯恩表示：“我們通過一個(gè)小針孔將空氣引入，然后用激光照射空氣，激光波長可被羥基特征吸收。掌握時(shí)機(jī)至關(guān)重要?？諝夥肿訉?duì)光的散射作用會(huì)使目標(biāo)熒光被淹沒，因此我們使用可極快速打開和關(guān)閉的檢測(cè)器，先關(guān)閉它，讓激光散射一會(huì)兒，過100納秒后再打開，收集最后一部分羥基熒光?！?/p>

根據(jù)布魯恩的說法，他們對(duì)大氣羥基的來源有了更深刻見解?！拔以诔鞘?、森林、沙漠和農(nóng)村地區(qū)的16次飛行任務(wù)中研究了大氣羥基，更好地理解了很多環(huán)境下羥基的作用?！?/p>

基于這種理解，布魯恩等人預(yù)測(cè)羥基并不處于雷擊的核心，因?yàn)槟抢锏淖杂苫鶡o法承受極端高溫。布魯恩解釋道：“在那里，任何羥基都將于幾微秒內(nèi)瓦解，所以它不會(huì)發(fā)生任何反應(yīng)。它消失得如此之快，以至于我們不可能檢測(cè)到它?！?/p>

根據(jù)此前預(yù)計(jì)，閃電制造NO過程中的級(jí)聯(lián)反應(yīng)只會(huì)間接產(chǎn)生羥基。然而，開展“深對(duì)流云和化學(xué)”項(xiàng)目的DC-8機(jī)載實(shí)驗(yàn)室借助激光誘導(dǎo)熒光測(cè)量儀不斷發(fā)現(xiàn)不可思議的超高羥基濃度，比以往任意一次觀測(cè)值都高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

布魯恩表示：“飛行結(jié)束后，我會(huì)與在飛機(jī)后部負(fù)責(zé)儀器的同事交流。根據(jù)他們的說法，當(dāng)我們身處云中，我們看到了驚人的羥基信號(hào)，但不知道它們意味著什么?！碑?dāng)時(shí)研究團(tuán)隊(duì)專注于測(cè)量工作，決定將羥基問題留待以后調(diào)查。“但我們一直沒再看過它們——直到幾年前的一個(gè)夏天，我用我們團(tuán)隊(duì)開發(fā)的一些新技術(shù)分析了羥基信號(hào)，發(fā)現(xiàn)它們是真實(shí)的！”

借助來自美國閃電測(cè)繪陣列的數(shù)據(jù)，研究者將一部分羥基濃度激增事件發(fā)生的時(shí)機(jī)與雷擊事件明確關(guān)聯(lián)。某些激增尖峰緊跟著機(jī)載攝像頭里的閃電出現(xiàn)。但大約1/3的激增事件與閃電無關(guān)。

為吃透這些觀察結(jié)果，有必要在實(shí)驗(yàn)室里搞一些人造閃電。布魯恩表示：“我們可以通過制造火花的方式得到大量羥基?！备P(guān)鍵的是，當(dāng)照明設(shè)備調(diào)低到無可見火花產(chǎn)生，還可以檢測(cè)到大量羥基。

布魯恩說道：“我們的結(jié)論是，在可見火花的周圍，在非高溫的亞可見放電中，我們看到了羥基產(chǎn)生。這些放電有足夠能量來分解水分子，產(chǎn)生羥基。你可以想象，云端到處都有各種電荷分離和極少量放電，其中一部分必然產(chǎn)生羥基。”

研究團(tuán)隊(duì)的測(cè)量結(jié)果顯示，亞可見閃電所貢獻(xiàn)的羥基可能占全球大氣羥基總量的16%。西班牙安達(dá)盧西亞天體物理研究所的弗朗西斯科?戈迪略-巴斯克斯（Francisco Gordillo-Vázquez）表示，這是一個(gè)非常有趣的觀測(cè)結(jié)果?！拔覀儓F(tuán)隊(duì)正在開展實(shí)驗(yàn)以重現(xiàn)這些結(jié)果。在這一新發(fā)現(xiàn)之前，這些氧化劑一直被認(rèn)為只是因NO注入而間接產(chǎn)生的；現(xiàn)在觀點(diǎn)將發(fā)生轉(zhuǎn)變，因?yàn)樗鼈兤鋵?shí)是直接產(chǎn)生的。”

天高閃云雷，精靈舞光電

影響大氣化學(xué)成分的亞可見雷擊只是近期于雷暴及其周圍發(fā)現(xiàn)的大氣放電現(xiàn)象的一種。我們看到閃電從雷云處射向地球，但這遠(yuǎn)非故事全部。1989年，研究人員證明，云層之上還有精靈閃光、怪異閃電以及其他奇異的“電光物種”于雷霆之頂翩然起舞。

20世紀(jì)20年代，蘇格蘭物理學(xué)家兼氣象學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主查爾斯?威爾遜（Charles Wilson）推測(cè)，高層大氣的空氣密度較低，局部區(qū)域更容易發(fā)生電場(chǎng)擊穿，因此高層大氣可能發(fā)生精靈閃光。1989年，工作人員在美國中西部的一場(chǎng)大雷暴中偶然記錄下兩個(gè)精靈閃光。

隨后他們發(fā)現(xiàn)，精靈閃光可到達(dá)距電離層底部90多公里處。戈迪略-巴斯克斯表示：“我們可以將高層大氣放電看作全球電路的丟失部分，它們連接對(duì)流層與電離層?！?/p>

高層大氣的瞬態(tài)發(fā)光事件（TLE）能否用于解釋神秘的大氣化學(xué)過程？戈迪略-巴斯克斯認(rèn)為：“自20世紀(jì)60年代后期以來，時(shí)常有報(bào)道稱，在接近雷暴天氣時(shí)，O3水平會(huì)突然上一個(gè)臺(tái)階。”但這種觀察結(jié)果違背既有認(rèn)知，即臭氧在閃電制造NO的過程中間接產(chǎn)生?！坝腥瞬聹y(cè)，O3增加可能由閃電本身造成。”

常規(guī)閃電不會(huì)直接產(chǎn)生大量O3，那么TLE會(huì)不會(huì)是助長O3的直接推手？不同于閃電（一種超高溫放電），TLE強(qiáng)大電場(chǎng)中的能量是通過低溫傳遞的。戈迪略-巴斯克斯指出：“這是了解它們‘化學(xué)性格’的關(guān)鍵?！痹趯?shí)驗(yàn)室里，冷電暈放電會(huì)產(chǎn)生大量O3和另一種溫室氣體一氧化二氮（N2O），后者被認(rèn)為是僅次于二氧化碳和甲烷的第三大溫室氣體。

通過從更高處監(jiān)控，研究人員得以相當(dāng)輕松地掌握TLE情況。 戈迪略-巴斯克斯說道：“我們參與了‘大氣空間相互作用監(jiān)測(cè)器’（ASIM）任務(wù)。ASIM自2018年4月起就被裝在國際空間站上?！边@套監(jiān)測(cè)設(shè)備已被證明是檢測(cè)雷云內(nèi)部電暈放電的強(qiáng)大工具?！癆SIM讓我們第一次了解到雷云內(nèi)電暈的性質(zhì)，并繪制出它們的分布和頻率圖?！?/p>

ASIM不具備測(cè)量電暈放電所產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)的能力，但鑒于它檢測(cè)到的電暈分布廣泛，我們有理由認(rèn)為，如果這些電暈的化學(xué)性質(zhì)類似于實(shí)驗(yàn)室里產(chǎn)生的電暈，它們可能就是溫室氣體的重要天然來源。戈迪略-巴斯克斯表示：“這種貢獻(xiàn)之于大氣化學(xué)的重要性如何，尚待研究?！奔磳l(fā)射的新一代空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)衛(wèi)星將進(jìn)入美國、歐洲和亞洲上空的對(duì)地靜止軌道，有望提供更多信息，助我們?nèi)胬斫饫自齐姇灐?/p>

更多的數(shù)據(jù)也將幫助布魯恩判斷亞可見閃電產(chǎn)生的羥基對(duì)全球大氣的影響。他表示：“我們飛過7個(gè)雷暴云砧，收集了能收集到的全部數(shù)據(jù)。要想做進(jìn)一步分析，你必須在飛機(jī)上裝更多儀器來測(cè)量電場(chǎng)、電荷和電荷分離。我們需要針對(duì)更廣泛的雷暴，包括發(fā)生大多數(shù)閃電的熱帶雷暴，進(jìn)行采樣。這是能做到的，但時(shí)機(jī)未到?！?/p>

在巴特看來，要想收獲重大發(fā)現(xiàn)，可能需要將這些儀器安裝到一架專為飛入（而非繞過）雷暴而設(shè)計(jì)的飛機(jī)上。她說道：“大多數(shù)時(shí)候，我們都在觀察進(jìn)入雷暴前的大氣，以及雷暴頂部下降氣流的空氣，你必須對(duì)二者間發(fā)生的內(nèi)容作推測(cè)。我很想坐上一架穿越雷暴的飛機(jī)，直接探究雷暴內(nèi)的化學(xué)成分。”

資料來源 Chemistry World