捕捉闪电的人

在美国新墨西哥州3000多米的高山上，杰克•特鲁布拉德正准备发射火箭进入雷暴区。

把火箭送到闪电中

在美国新墨西哥州3000多米的高山上，杰克•特鲁布拉德正准备发射火箭进入雷暴区。

他组装了8只火箭，每个都如同笔直的士兵，它们由钢骨架相连。特鲁布拉德装配好火箭，然后在无窗的室内坐等几个小时，火箭则放置在屋顶上。

特鲁布拉德是新墨西哥州索科罗矿业技术学院的研究生，他正在等待大气中的强电场。然后，他将按下按钮，将火箭发射到高空，目的是快速移动金属线，诱使在特鲁布拉德上空的空气在一次对地的闪电中放电。为了达到目标，他和其他闪电猎人都不敢在8月份的任何一天离开山顶。

在世界范围内，每一秒约有100次闪电发生。虽然大部分闪电都是在云层内发生的，但是的确有少数闪电能到达地面。闪电可以是致命的，仅在美国每年雷击致使大约55人丧生。遗憾的是，科学家至今仍对闪电不太了解。所以，特鲁布拉德所做的研究将有助于更好地了解闪电如何形成，击中地面，然后沿相同的路径返回。

高空气球和其他实验表明，X射线和伽马射线往往伴随着闪电。另一个发现表明高速电子引发了整个过程。三维闪电图已解开一系列秘密——闪电如何在云中移动，以及如何制造危险的“霹雳”去电击好几公里远的地面，或者甚至向上延伸到宇宙太空。这些发现不仅充实了雷电物理的图像，而且也帮助工程师设计出更好的系统，使致命的闪电远离建筑物和人群。

守株待兔

1752年，本杰明•富兰克林将系有金属钥匙的风筝放飞进入雷暴，通过观察电火花推断出在大气中存在电荷。两个半世纪后，科学家们有了一个略好些的关于闪电如何形成的看法：冰雹和小冰粒在云层中相互摩擦使得电荷转移。伴随着上升气流，正电荷一般集聚在小冰块上，负电荷聚集在较重的冰雹颗粒上漂浮在云的低处。这种电荷分离建立起了一个电场，在某些时候必须通过相反电荷之间的放电才能中和，就如同在干燥冬季衣服上的静电火花。

通过空气，电子刻划了一系列的离子轨道，称为梯级先导；对于一次典型的云对地闪电，这意味着云中的负电荷开始向下传播。一旦梯级先导到达地面或一个正电荷的区域，产生放电，就能创造出温度超过2.5万摄氏度的可见闪电。

然而，研究闪电就像是试图捕捉闪电进入瓶子一样。闪电可能会经常发生，但往往在科学家们坐等研究的地方还发生得不够频繁。伊克•肯尼斯是在新墨西哥技术学院的物理学家，他说研究闪电就像在碰运气——你知道闪电将在夏季的某一个时间点击中你所在的建筑物并持续20分钟，但你却不知道是哪一天的哪20分钟，因此你所能做的就是等。

为了更好地追踪不可预知的闪电，在上世纪90年代中期，新墨西哥技术学院的研究人员开始开发三维闪电测绘系统。全球卫星定位系统（GPS）刚刚开始普遍使用后，地球物理学家们意识到他们可以使用GPS接收器去精确测定闪电的时间和地点。通过十几个观测点，科学家们可以构建闪电如何出现并在空中形成分支的三维图像。这使科学家们获得了更为详尽的闪电信息。研究人员还发现了许多“征兆”，或者说云间开始放电的企图——许多闪电尝试多次放电后才形成。

研究人员也解释了为什么带负电荷的云对地闪电往往有多次闪击，而带正电的（不太常见）通常不会。带正电的闪电会扩展出很多分支，且向前移动得很慢，而带负电的分支少且向前移动得更猛。

闪电如何在低电场中形成

在布兰丁营，一个邻居们肯定不会抱怨火箭会招来闪电的军事基地，科学家们正在进行一个由美国国防高级研究计划局资助的研究项目，为期四年。科学家用雷达对风暴进行扫描；几台高速摄像机记录着每一次闪电，其中包括一台每秒可拍摄4百万张影像的摄像机；灵敏的仪器能够捕捉电场和磁场的信息；映射阵列在三个维度对每一次闪电定位；X射线设备能侦测到伴随每一次闪电的高能辐射。所有这些设备，全天24小时，对面积约为1平方公里的上空的每一次闪电收集100个测量值。“这是人类史上从未有过的最好的闪电测试设备，”设备的主管马丁•乌曼说。

随着对自然闪电的研究，在佛罗里达的小组也像特鲁布拉德在新墨西哥州做的那样，通过人工触发了闪电。在人造闪电中，被引入火箭的电和自然形成的离子通道是不相同的，但当电流连通并制造出可见的闪光时，被触发闪电的回程和自然的闪电十分相似。所以发射火箭进入雷暴，的确是一个在你想要的时候得到闪电的较为简单的方法。

布兰丁营的科学家们正在解决关于闪电的三个看似简单，实则极度复杂的问题：它是如何在云中形成的，它是如何通过空气传播的，以及它是如何连接地面的（这是一个避免人和建筑物遭雷击的关键问题）。乌曼说，人们对于闪电的诞生了解得最少，“人们总以为它就像是在实验室里发生的一次电击，给一个足够大的电场，空气便开始导电。”但在云层中，闪电似乎发生在远比实验室放电所需要的低得多的电场中。很长一段时间没有人能知道闪电是如何在这些低电场中形成的。

然而，在过去的几十年中，研究人员已经开始探索一种被称为“逃逸崩溃”的理论。根据这一理论，宇宙射线击中大气，释放出稳定的高能量电子（宇宙射线还撞击其他在雷云电场中加速的电子）。不久这些电子崩溃失控。“突然，你的电场大得足够能使电子加速到光速”，佛罗里达理工学院墨尔本分校的物理学家约瑟夫•德怀尔说。最重要的是，这意味着即使当电场小于理论家所认为需要的数量级，电子也能够引发放电。

尽管如此，科学家们还是不明白“逃逸崩溃”概念中的所有过程——到底是快速电子引起了闪电放电，还是电子仅仅是伴随着闪电出现？

闪电中的X射线可以帮助解决难题。如果超人观察了闪电，他的X射线眼会看到高能辐射从上到下一路伴随着闪电，德怀尔说。兰缪尔实验室早在2001年就第一次报告了这些X射线给人以惊人的提示，德怀尔后来通过在佛罗里达州的闪电实验室建立的灵敏探测器证实了它们。有时，X射线太强烈以至于使观测设备失灵。

与众不同的雷击

就在近几年，科学家们才发现闪电不仅在云内传播，或者直接从云到地，它还打破其他边界，甚至扩展直升太空。这其中最壮观的被命名为“巨型喷气机”，它本质上是普通的闪电，不过却冲破雷云直线上升传播约80公里。两个业余科学家的视频展现了这“喷气机”是如何完成这一壮举的。

通常，云中闪电在云块较低的带负电荷的部分形成，如果它们触及到了云内较高的部分，高端的正电荷会中和负电荷，从而抑制闪电。但在最近两段在佛罗里达州和俄克拉荷马州的录像中，带负电荷的先导向上放大，接着向两边移动，并试图从云的四周离开。要是它成功，那将会是一次“晴天霹雳”——闪电从距地面几千米远的云层击向地面。晴天霹雳是闪电类型中最危险的一种，因为没有人会预料闪电从遥远的云层袭来。

不仅巨型喷气机会从风暴云中向上飞，高能伽玛射线的神秘闪光也同样如此。这两样东西都是由最常见的闪电所产生的。观测被称为“地面伽马射线闪光”（terrestrial gamma-ray flashes，略称TGFs）的唯一方法，是从伽马射线卫星上俯瞰地球。TGFs在1994年被第一次报道，目前还没有人完全明白它们是如何形成的，但最近的研究表明，当唯一的闪电通道笔直地向上移动时，TGFs将在闪电的第一个毫秒中诞生。

更令人惊讶的是，TGFs含有反物质。2012年早些时候，阿拉巴马大学的科学家报告称，正电子，作为电子对应的反物质，在雷暴中是很常见的。

德怀尔认为这些正电子可能是理解TGFs的关键。他已在一些科学会议上提出一个新的假说，认为触发闪电而逃逸出的电子同时产生了伽马射线，而这反过来又与普通空气粒子碰撞产生电子和正电子。“整个放电是自我维持的，大量的伽马射线是由正在产生的正电子而发生的，”德怀尔说。“如果这是正确的，那么了解雷暴物理的关键之一就是正电子。几年前谁会想到这个？”

火山闪电

闪电研究人员旨在跟踪雷暴，火山学家旨在等待喷发，而在阿拉斯加的地震学家则要将两者结合起来。

1992年，阿拉斯加大学费尔班克斯分校的火山地震学家史蒂夫•麦克纳特从用于研究安克雷奇附近的斯珀山脉火山爆发的地震仪中采集到了有趣的信号。这些信号是火山爆发所引起的闪电静电干扰，这或许是火山闪电第一次被确认。自那以后，麦克纳特开始追踪在火山巨大羽状喷发物中形成的闪电。

正负电荷在火山羽状喷发物中被分离，比在雷暴云中更多，这得益于冰粒的形成和相互间的摩擦，当然还有其他因素的影响。于是电在电荷分离区释放能量，在火山羽状喷发物中形成了壮观的闪电景象。

目前为止，麦克纳特已从154座火山总共394次喷发中获得了闪电数据。“火山闪电其实比人们所想的要普通得多，”他说道，“在恰当的位置放置现代化仪器，我们就能从所知的喷发过程中观测火山闪电。”

例如，麦克纳特和他的同事们发现，当喷发物含有许多地下升起的水蒸气和岩浆时，会出现更多的闪电。“火山灰颗粒如同种子，与大量水结合后构建起了非常有效的机制，相互作用下能引起更强的光电，” 麦克纳特说。从本质上来说，水将喷发云变成了一种“肮脏的雷暴”。

为了当场捕捉到火山闪电，科学家们在喷发火山的安全距离内建立了几个观测站。到目前为止，他们已在4处捕捉到了闪电场景：2006年在阿拉斯加奥古斯汀火山，2008年在智利柴腾火山，2009年在阿拉斯加堡垒火山，2010年在冰岛埃亚菲亚德拉火山（闪电在埃亚菲亚德拉火山出现）。科学家们发现只要火山不断喷发，电荷就会在羽状喷发物中持续存在，这表明火山灰烬和其他颗粒之间的相互摩擦能够持续建立电场，使闪电不断发生。

将来，闪电可能被用于探测远处的火山爆发。去年12月，美国地质调查局和华盛顿大学西雅图分校推出了一项预报系统，它与网络结合成为“闪电定位网络系统”，能向全球展示测控闪电活动的实验室。系统通过搜寻已知火山附近的闪电活动，甚至能够赶在火山灰被卫星观测到之前就向科学家们发送预报火山喷发的电子通知。

《自然与科技》杂志 陆佩蓓 徐湮 徐文欣/编译