是什么引发了闪电？这个答案越来越耐人寻味

# 是什么导致了闪电？答案越来越有趣 | Quanta Magazine 来源：https://www.quantamagazine.org/what-causes-lightning-the-answer-keeps-getting-more-interesting-20260506/ 在改变我们对地球闪电认知之前，Joseph Dwyer 曾在更广阔的宇宙环境中研究天气现象。他借助 [NASA 的 Wind 卫星](https://wind.nasa.gov/)——在距地球百万英里外的轨道上运行——观测从太阳喷射而出的耀斑，并分析从太阳表面流出的粒子。然而，在千禧年前后，Dwyer 迁居佛罗里达，他觉得自己已准备好迎接新的挑战——一个他和学生们可以亲自探索的课题。没过多久，这里的热带气候就在他的办公室窗外呈现出一个绝佳的谜题。"外面轰隆轰隆的，"Dwyer 说，"我研究了一下，发现闪电其实是一个尚未解决的问题。" 雷暴天气令人类着迷了数千年，然而其内部运作机制至今仍深藏神秘。雷云不透明，靠近它们十分危险，而且体积太大，无法在实验室中重现。好奇的研究者们在近三个世纪里将风筝、气球和火箭送入其中，学到了许多知识，但每当"闪电爱好者"们越来越接近核心，总会发现理解上存在巨大的空白。过去50年来，研究者们将注意力集中在一个特定的空白上：我们所说的"闪电"——那条锯齿形的灼白空气通道——究竟是如何形成的？ 最近，随着众多研究者——其中许多像 Dwyer 一样是"天体物理学难民"——开发出新方法穿透云层，这一领域迎来了某种意义上的复兴。他们将一批原本用于研究宇宙剧烈事件的仪器，转而对准了地球上雷暴的暴烈过程。他们看到闪电在蜿蜒前行时释放出 X 射线，发现雷云中闪烁的伽马射线辉光，并在最近探测到闪电沿意想不到方向传播的迹象。 目前还没有人将所有拼图拼合在一起，但一幅关于闪电的新图景正在成形。这令人生畏的闪光越来越不像物理学家曾经设想的那种超大电火花。虽然电在其中扮演着核心角色，但闪电的形成与塑造涉及物理学的全套定律——从宇宙爆炸到粒子物理。尤其是触发一道闪电，似乎需要那些通常与超新星、黑洞和粒子对撞机相关的极端事件，而非蓬松的云朵。 "该领域正在形成越来越广泛的共识，认为高能过程在闪电的触发中扮演着关键角色，"新墨西哥理工大学大气物理学家 [Caitano da Silva](https://www.nmt.edu/academics/physics/faculty/cdasilva.php) 说，"这是一个令人振奋的时代。" ## **触发点** 当闪电划破天空，古希腊人、斯堪的纳维亚人和印度教徒看到的是神明交战的闪光；当雷声震荡胸腔，中国人感受到的是神灵惩戒恶人的威力。时至今日，雷暴的力量依然令人叹为观止。 "我从小就在巴西目睹大型冷锋携带大量闪电涌来，"da Silva 说，"我对此深感恐惧。" 恐惧带来迷恋。然而，尽管经历了数百年的探索，像 da Silva 这样痴迷于此的物理学家仍在追问古人曾问过的问题：闪电是如何开始的？ 曾经有段时间，研究者们以为自己找到了答案。18、19世纪，物理学家在揭开电的神秘面纱的过程中，学会了如何随意产生较大的火花：在一个金属球上堆积电荷，将另一个金属球靠近，火花便在两球之间跳跃。当研究者最终弄清物质的结构后，他们明白了其中的道理。分离的电荷在两球之间产生电场，当电场强度达到临界值——大约每米300万伏特——空气便开始"崩溃"：电场将自由电子甩入相邻原子，敲出更多电子，就像陡峭山坡上的积雪一样引发"雪崩"，将空气加热直至发光。 Mark Belan/Quanta Magazine Benjamin Franklin 在1752年著名的风筝实验中，将实验室中的电火花与天空中的闪电联系起来。此后200年间，研究者们一直相信，雷云中发生的事情与他们的金属球之间发生的事情完全相同，不过是规模更大而已。闪电的谜团似乎已经解开。 然而，当物理学家在20世纪中期从风筝升级到火箭和卡车大小的气象气球后，他们发现了问题。云层中确实存在电场：微小的冰晶相互摩擦，就像袜子摩擦地毯一样，携带多余电子的冰晶往往聚集在云的底部。但这些电场太弱了。典型雷暴的电场强度只有触发放电所需的十分之一，有史以来测量到的最强电场也只达到临界强度的三分之一。然而，根据 [NASA 卫星数据](https://sos.noaa.gov/catalog/datasets/lightning-flash-rate/)，全球任意时刻都有超过2000场雷暴正在发生——这个现象就像雪崩在初学者滑雪坡上轰然而下一样令人费解。 "你必须让电场一路攀升，超过常规击穿阈值，"俄克拉荷马大学强烈和高影响天气研究与运营合作研究所研究员 [Michael Stock](https://www.ou.edu/ciwro/about/people/staff/michael-stock) 说，"但这在自然界中似乎并不会发生。" 可见的闪电意味着空气已经分解成一团炽热的带电亚原子碎片。因此，要么某种因素使电场急剧增强、突破临界阈值，要么必然存在另一种机制来击穿空气分子。问题在于：是什么机制？ 一幅历史油画，描绘了 Benjamin Franklin 在暴风雨中向一道闪电举起钥匙的场景，四周有小天使和科学仪器环绕。 1752年，Benjamin Franklin 进行了著名的风筝实验，如这幅约1816年由 Benjamin West 创作的画作所描绘。该实验确立了闪电与电之间的联系。 公共领域 线索再次来自 Franklin。他观察到，尖锐的尖端更容易引发或接收电火花。物理学家现在明白，这是因为尖状导体能增强附近的电场。1960至1970年代，佛罗里达和法国的物理学家开始通过向雷云发射带有尖锐顶端的小型火箭来人工触发闪电，火箭后面会延展出一根导线，引导闪电击向地面。 大多数雷云没有装载火箭的飞镖来帮助放电，但它们确实有冰晶，其中一些可以超过橡皮擦的大小，并能延伸成碎片状。物理学家估计，足够长的冰晶碎片可以将电场强度提升10倍甚至更多，而多个这类所谓"水成物"协同作用效果会更佳。谜题似乎再次得到了解答。 然而，当物理学家开始从太空观测风暴时，他们发现雷云比想象中更加奇异。 ## **失控的雪崩** 1994年，一颗原本用于搜寻深空极端爆炸的卫星，偶然探测到来自雷云的伽马射线闪光，且往往伴随闪电出现。伽马射线是能量最强的光线类型，通常标志着垂死恒星的最后喘息或两颗中子星[灾难性碰撞](https://www.quantamagazine.org/extra-long-blasts-challenge-our-theories-of-cosmic-cataclysms-20231211/)时的巨响。无论云层中有多少锋利的冰晶，都不应该产生伽马射线。亚原子粒子的快速而激烈的领域里，显然有什么事情正在发生。 正是在这段时间，Dwyer 目睹了佛罗里达轰鸣的闪电风暴，并了解到其神秘的起源。作为天体物理学家，他深谙亚原子领域。他熟悉诺贝尔奖得主 C.T.R. Wilson 的研究——Wilson 曾假设，以接近光速运动的"相对论性"电子几乎感受不到空气中原子的阻力。（da Silva 将此比作子弹穿越漫天雪花。）因此，在电场中，一个速度足够快的电子可以"逃逸"，越来越快地加速。 Dwyer 还知道，俄罗斯物理学家 Aleksandr Gurevich 在1992年证明，这样一个逃逸电子可以触发多达约10万个电子的级联——类似于实验室中引发电火花的雪崩，但在数百至数千米的范围内展开。他还知道，当这些相对论性逃逸电子与空气分子碰撞时，会辐射出伽马射线。 一张黑白夜间照片，一枚航天飞机屹立在发射台上，一道壮观的闪电在乌云密布的黑暗天空中直击其上方。 佛罗里达的闪电十分常见。1983年8月30日，挑战者号航天飞机在肯尼迪航天中心的发射台上方遭到这道闪电击中。 NASA 仅凭这些极端亚原子事件，似乎还不足以解释在雷云中出现的耀眼伽马射线。但随后，Dwyer 构想了一种精妙的连锁过程，可以让一次雪崩接连触发另一次，再触发另一次，如此叠加，全部发生在同一区域。 根据 Dwyer 的机制，当雪崩中的一个电子与原子碰撞时，电子会发生反弹并辐射出一个伽马光子。该伽马光子随即转化为一个电子和它的反物质孪生体——正电子。云层的电场将正电子推回到接近雪崩起始处，在那里它与另一个原子碰撞，触发新一轮雪崩，产生更多伽马射线、更多正电子、更多雪崩……如此循环，直至产生可从轨道上观测到的闪光。 "这就像把麦克风靠近扬声器，"[Dwyer](https://ceps.unh.edu/person/joseph-dwyer)——现任职于新罕布什尔大学——说，"声音会迅速变得震耳欲聋。" 这一系列失控的相对论性雪崩不仅能解释伽马射线，还可能有助于触发闪电。随着雪崩级联，电子在前端积聚，同时在其尾迹中留下正离子——从而增强云层中的电场。 在计算机模拟中，Dwyer 证明这一连锁事件能放大雪崩、辐射伽马射线并使电场增强。与此同时，对冰晶碎片的详细模拟也揭示出它们实际上能有多锋利——结果是相当有限——这也开始动摇水成物理论的根基。 那么，Dwyer 设想的失控相对论性雪崩真的在云层内部发生吗？这能否将电场增强到足以产生闪电？他的同行对此意见不一。