為什么閃電在天空中呈現(xiàn)“之”字形

●一博 編

世界各地的閃電幾乎每秒發(fā)生50次，但是對于這些能量驚人的閃光，我們?nèi)杂性S多東西需要了解。一個長年未解的謎團是，為什么閃電在天空中閃爍時呈現(xiàn)出“之”字形，澳大利亞的科學家們現(xiàn)在已經(jīng)提出了一個解釋，將其歸結(jié)為電子和分子之間的碰撞，產(chǎn)生了一系列所謂的“臺階”。

在過去五年左右的時間里，我們看到研究人員對雷擊科學有了一些迷人的見解。包括發(fā)現(xiàn)通過雷擊事件產(chǎn)生的伽馬射線可以在空氣中產(chǎn)生反物質(zhì)，有證據(jù)表明它們的電磁場可以對活細胞產(chǎn)生保護作用，以及令人驚嘆的高速攝像機拍攝的閃電分支從云中斷裂的畫面。

盡管我們對這些天氣事件的認識不斷提高，但雷擊的物理學順序仍然不清楚。為什么閃電會從云層中發(fā)出，并沿著“之”字形的路徑落向地球，這個問題已經(jīng)困擾了科學家半個世紀，但南澳大利亞大學的等離子體物理學家約翰·洛克博士現(xiàn)在提出了一個相對有說服力的解釋。

洛克說：“有幾本關(guān)于閃電的教科書，但沒有一本解釋過人字形（后文稱為臺階）是如何形成的，為什么連接臺階和云層的導電柱仍然是黑暗的，以及閃電如何能夠穿越數(shù)公里。”

當閃電從雷云中出現(xiàn)時，它以大約50米長的臺階出現(xiàn)。這些臺階在一秒鐘內(nèi)閃亮，然后在另一秒鐘內(nèi)變暗，然后再形成另一個臺階，在同樣的微不足道的時間內(nèi)閃亮。這些臺階不斷重復，一個接一個，直到閃電到達地球，雖然肉眼基本看不到，但高速攝影已經(jīng)使科學家們能夠記錄這種戲劇性的接力放電。

但是，為什么這些步驟會以這樣的方式形成？當閃電沿途經(jīng)歷轉(zhuǎn)瞬即逝的黑暗時刻時，怎么會有一個連續(xù)的電連接？在新發(fā)表的研究中，洛克和他的同事將這一效應(yīng)歸結(jié)為所謂的單子-德爾塔可轉(zhuǎn)移的氧分子。這些高能分子是在電子與氧分子碰撞時產(chǎn)生的，導致它們脫離并重新分配電場。

其結(jié)果是產(chǎn)生了一個導電柱，在“臺階”向“地面”推進的過程中保持與云層的連接，甚至在變暗時也是如此。這得益于氧分子的刺激，迫使它們進入“可轉(zhuǎn)移”狀態(tài)，當其數(shù)量足夠多時，這一現(xiàn)象可以使空氣導電。

洛克在為《對話》雜志撰寫的一篇附文中寫道：“因此，當足夠多的可轉(zhuǎn)移狀態(tài)被創(chuàng)造出來，以分離出大量的電子時，閃電步驟就會發(fā)生。在這個步驟的黑暗部分，可轉(zhuǎn)移狀態(tài)和電子的密度正在增加。在5000萬分之一秒之后，臺階可以導電，臺階頂端的電動勢增加到大約是云的電動勢，并產(chǎn)生進一步的臺階。”

根據(jù)科學家們的說法，對雷擊的更好理解可以帶來對建筑物、飛機和人的更好防雷保護措施。由多面手本杰明·富蘭克林在1752年發(fā)明的避雷針仍然是我們在這方面的主要措施，其作用是吸引閃電并將其電荷接地。避雷針固定在建筑物的頂部能保護結(jié)構(gòu)不受損害，但更好地了解雷擊是如何形成的，就可以幫助發(fā)明保護建筑環(huán)境的新工具。