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(duì)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(gè)長(zhǎng)年未解的謎團(tuán)是，為什么閃電在天空中閃爍時(shí)呈現(xiàn)出“之”字形，澳大利亞的科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)提出了一個(gè)解釋?zhuān)瑢⑵錃w結(jié)為電子和分子之間的碰撞，產(chǎn)生了一系列所謂的“臺(tái)階”。

在過(guò)去五年左右的時(shí)間里，我們看到研究人員對(duì)雷擊科學(xué)有了一些迷人的見(jiàn)解。包括發(fā)現(xiàn)通過(guò)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(chǎng)可以對(duì)活細(xì)胞產(chǎn)生保護(hù)作用，以及令人驚嘆的高速攝像機(jī)拍攝的閃電分支從云中斷裂的畫(huà)面。

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

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

當(dāng)閃電從雷云中出現(xiàn)時(shí)，它以大約50米長(zhǎng)的臺(tái)階出現(xiàn)。這些臺(tái)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(gè)臺(tái)階，在同樣的微不足道的時(shí)間內(nèi)閃亮。這些臺(tái)階不斷重復(fù)，一個(gè)接一個(gè)，直到閃電到達(dá)地球，雖然肉眼基本看不到，但高速攝影已經(jīng)使科學(xué)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(huì)以這樣的方式形成？當(dāng)閃電沿途經(jīng)歷轉(zhuǎn)瞬即逝的黑暗時(shí)刻時(shí)，怎么會(huì)有一個(gè)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?tīng)査赊D(zhuǎn)移的氧分子。這些高能分子是在電子與氧分子碰撞時(shí)產(chǎn)生的，導(dǎo)致它們脫離并重新分配電場(chǎng)。

其結(jié)果是產(chǎn)生了一個(gè)導(dǎo)電柱，在“臺(tái)階”向“地面”推進(jìn)的過(guò)程中保持與云層的連接，甚至在變暗時(shí)也是如此。這得益于氧分子的刺激，迫使它們進(jìn)入“可轉(zhuǎn)移”狀態(tài)，當(dāng)其數(shù)量足夠多時(shí)，這一現(xiàn)象可以使空氣導(dǎo)電。

洛克在為《對(duì)話》雜志撰寫(xiě)的一篇附文中寫(xiě)道：“因此，當(dāng)足夠多的可轉(zhuǎn)移狀態(tài)被創(chuàng)造出來(lái)，以分離出大量的電子時(shí)，閃電步驟就會(huì)發(fā)生。在這個(gè)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(wàn)分之一秒之后，臺(tái)階可以導(dǎo)電，臺(tái)階頂端的電動(dòng)勢(shì)增加到大約是云的電動(dòng)勢(shì)，并產(chǎn)生進(jìn)一步的臺(tái)階。”

根據(jù)科學(xué)家們的說(shuō)法，對(duì)雷擊的更好理解可以帶來(lái)對(duì)建筑物、飛機(jī)和人的更好防雷保護(hù)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?cè)谶@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(hù)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(hù)建筑環(huán)境的新工具。