超級(jí)閃電為何喜歡轟擊海洋?

莫菲

據(jù)估計(jì)，全球每秒會(huì)產(chǎn)生10～14次云對(duì)地閃電，其中超過9 0%擊中陸地，但是相比之下，擊中海洋的閃電卻要強(qiáng)得多，其中就包括罕見的“超級(jí)閃電”。超級(jí)閃電指的是能量比普通閃電大上百倍的閃電，其亮度是普通閃電的100～1000倍。

為什么海洋對(duì)超級(jí)閃電如此具有“吸引力”呢？

鹽制造了超級(jí)閃電？

人類很早就知道海上的閃電更猛烈，但是這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因卻一直沒有確定。以色列的海洋學(xué)家穆斯塔法·阿斯弗爾的一個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)似乎為解答這個(gè)問題提供了線索。

2020年的一天，阿斯弗爾正在實(shí)驗(yàn)室中研究海上風(fēng)暴，他和同事們?cè)谝粋€(gè)盒子中制造了一個(gè)小風(fēng)暴。這是一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)，制造風(fēng)暴的盒子連著一個(gè)火花發(fā)生器，幾個(gè)電極和一個(gè)裝滿水的燒杯。當(dāng)火花發(fā)生器模擬閃電產(chǎn)生時(shí)，盒子中的空氣被加熱，發(fā)出微小的爆裂聲。這種微型閃電的強(qiáng)度很小，只有真正的閃電的數(shù)百萬分之一，但是它看起來就像是真的閃電。

在實(shí)驗(yàn)過程中，阿斯弗爾和他的同事注意到，燒杯中的水的鹽度似乎對(duì)微型閃電有影響，鹽度較高的水似乎能產(chǎn)生更亮的閃電。為了解答他們的疑問，他們?nèi)砹思永！⒌刂泻?、死海的海水，以及土壤樣本來做?shí)驗(yàn)。為什么要選擇這些樣本呢？這是因?yàn)椴煌乃w和土壤咸度不同。加利利海是以色列最大的淡水湖，加利利海的鹽度在0.19‰～0.28‰（記錄鹽度的最常見方法是測量1000克水中的鹽含量是多少克，因此被記作“千分之幾”）之間波動(dòng)。地中海則是世界上最大的陸間海，來自陸地的河流攜帶了許多礦物質(zhì)奔流入海，所以海水鹽度較高，約為38‰。而死海更以超高的鹽濃度而聞名，湖水蒸發(fā)嚴(yán)重，鹽度越來越高，目前約為280‰。而土壤也作為樣本之一，是為了對(duì)比水體和陸地產(chǎn)生的閃電的區(qū)別。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)燒杯中加入死海的水時(shí)，與燒杯中的水是加利利海的水時(shí)相比，所產(chǎn)生的閃電的亮度高出了近40倍。而加利利海的水與潮濕的土壤相比，前者產(chǎn)生的閃電亮度是后者的1.5倍。為什么會(huì)有這樣的區(qū)別呢？研究人員認(rèn)為，在水中，鹽能分解成有助于導(dǎo)電的正負(fù)離子。當(dāng)雷擊時(shí)，存在的離子越多，電荷從云中排出的效率就越高，這種快速放電會(huì)產(chǎn)生更高峰值的電流和更亮的閃電。這個(gè)結(jié)果讓他們喜出望外，這不正可以解釋為何海上強(qiáng)烈閃電更多的問題嗎？

酸化的海水增強(qiáng)閃電強(qiáng)度？

如果鹽的導(dǎo)電性使超級(jí)閃電更多地出現(xiàn)在大海上，那么其他能增強(qiáng)溶液導(dǎo)電性的因素是否也有助于制造超級(jí)閃電呢？比如海水的酸度，酸也能增強(qiáng)溶液的導(dǎo)電性。為了解答這個(gè)問題，阿斯弗爾和他的同事又著手進(jìn)行另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)——海水的酸度對(duì)閃電強(qiáng)度是否有影響。

他們采集了地中海的海水，并在一組海水樣本中添加強(qiáng)酸，在另外一組樣本中加入二氧化碳?xì)怏w，來調(diào)整海水的pH值。之所以在其中一組樣本中加入二氧化碳，是考慮到海洋吸收大量大氣中的二氧化碳后，會(huì)導(dǎo)致海水酸化。而海水酸化正在大自然中發(fā)生，并且正日益嚴(yán)重，威脅到了海洋生物的生存，因此在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行模擬具有重要的意義。

這里要說明的是，海水酸化指的并不是海水變成酸性的，而是指二氧化碳溶入海水中，經(jīng)過一系列反應(yīng)后，使海水中氫離子濃度增加的現(xiàn)象。而眾所周知，pH值是衡量溶液酸堿度的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，表示的正是溶液中氫離子的濃度。在標(biāo)準(zhǔn)溫度（25℃）下，pH值為7的溶液是中性的，pH值小于7為酸性，pH值大于7則為堿性。pH值每下降1個(gè)單位，氫離子濃度就會(huì)上升10倍，即海水酸度升高了10倍。因此即使現(xiàn)在海水平均pH值為8.1左右，為弱堿性，但是與工業(yè)革命前（普遍認(rèn)為當(dāng)時(shí)海水pH值為8.2左右）相比，海水中的氫離子濃度大量增加，因此被確定為發(fā)生了酸化。

讓我們?cè)倩氐桨⑺垢柕膶?shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員觀察到，不管是加入了強(qiáng)酸，還是二氧化碳，閃電強(qiáng)度都會(huì)隨著海水pH值下降而增強(qiáng)。而且，同樣是使海水pH值下降，加入二氧化碳與加入強(qiáng)酸相比，前者所產(chǎn)生的閃電強(qiáng)度要比后者高2.6倍。

而為了更細(xì)致地了解海水酸化對(duì)閃電強(qiáng)度的影響，研究人員們根據(jù)已有的氣象、環(huán)境研究數(shù)據(jù)，計(jì)算了工業(yè)革命前、現(xiàn)在和未來的海上閃電強(qiáng)度的變化。結(jié)果顯示，現(xiàn)在與工業(yè)革命前相比，海洋上的閃電強(qiáng)度增加了約10%。而如果二氧化碳濃度以現(xiàn)在的速率繼續(xù)增加，那么據(jù)估算到下個(gè)世紀(jì)初時(shí)海水pH值可能會(huì)降到7.8左右，到那時(shí)，閃電強(qiáng)度與現(xiàn)在相比可能會(huì)增強(qiáng)約40%。從這個(gè)結(jié)果來看，海水的酸度與閃電的強(qiáng)度似乎是正相關(guān)的。說到這里，可能有人會(huì)提出疑問：在酸堿中和的過程中會(huì)產(chǎn)生鹽，如果海水中加入酸，那是不是也一樣產(chǎn)生鹽呢？確實(shí)如此，阿斯弗爾的實(shí)驗(yàn)也顯示，酸化的海水中鹽的含量增加了。從這個(gè)結(jié)果來看，正好為阿斯弗爾的上一個(gè)實(shí)驗(yàn)提供了佐證，進(jìn)一步說明，鹽度在超級(jí)閃電的制造上可能也起到了非常重要的作用。

死海的鹽度很高，以至于人可以輕松浮在水面。

不同的觀點(diǎn)

不過，阿斯弗爾的研究結(jié)果都是來自實(shí)驗(yàn)室，這些實(shí)驗(yàn)是在相對(duì)理想的條件下完成的，因此所得的結(jié)果并不一定適用于自然環(huán)境。美國華盛頓大學(xué)的地球物理學(xué)家羅伯特·霍爾茨沃思的研究就舉出了反例。他調(diào)查了2010年至2018年的20億次閃電，并繪制了8000次強(qiáng)烈的超級(jí)閃電的分布圖，這些超級(jí)閃電確實(shí)絕大多數(shù)擊中了海洋，不過它們經(jīng)常出現(xiàn)的地點(diǎn)除了地中海，還有位于西北大西洋的西班牙、英國、冰島和挪威的附近海域，此外，還有安第斯山脈（這是唯一的陸地上的地點(diǎn)）。

從這些地點(diǎn)來看，它們之所以成為超級(jí)閃電的多發(fā)地，似乎與鹽都有一定的關(guān)系：地中海自不必說，它的鹽度很高;而西北大西洋的鹽度為33‰～37‰，比太平洋、印度洋的平均鹽度高;安第斯山脈（秘魯段）在幾百萬年前曾被海洋覆蓋，盡管海水退去，但是那里留下了大量的鹽礦。

但是這其中也有一些疑問，比如像紅海，鹽度超過40‰;再比如中國的柴達(dá)木盆地，那里也曾被古海洋覆蓋，沙土的鹽度也很高，為何這些地方?jīng)]有成為超級(jí)閃電多發(fā)地呢？這些問題意味著，參與制造超級(jí)閃電的應(yīng)該不僅僅是鹽和酸，還有其他因素。

盡管有不同的觀點(diǎn)，阿斯弗爾的研究還是為科學(xué)家提供了研究超級(jí)閃電的新思路，在今后的研究中，科學(xué)家們可以在這些研究數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行更大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)，甚至可以在海上對(duì)真正的閃電進(jìn)行研究，從而解答超級(jí)閃電為何鐘情于大海這個(gè)問題。而對(duì)這種氣象現(xiàn)象的研究，或許可以為未來預(yù)報(bào)海洋雷暴天氣提供數(shù)據(jù)支持，為在海上航行的人們提供更準(zhǔn)確的預(yù)警信息。