新浪科技综合|疫情期间,闪电频率为何会降低?科学家用天文望远镜得到答案( 二 )
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图3/3
使用射电探测器来观察闪电并不是新鲜事 , 美国新墨西哥州建造过专门的射电天线长期观测风暴 。 但这样绘制出的闪电图像分辨率很低 , 或是只有二维 。 而LOFAR是一种非常先进的天文望远镜 , 它可以绘制出精确到米的三维闪电图像 , 帧率达到先前的仪器的200倍 。 在LOFAR的帮助下 , 科学家得到了第一张真正清晰的雷雨云内部图像 。
一个闪电会产生数百万个射电脉冲 , 为了从这堆混乱的射电数据中重建闪电的三维图像 , 研究人员采用了一种类似于阿波罗登月时使用过的算法 , 这种算法可以不断更新待测物体的位置 。 该算法基于LOFAR数千根天线收集的数据 , 不断更新射电脉冲的位置, 绘制了清晰的闪电图像 。
研究人员着重分析了2018年8月一次闪电的数据 , 他们分析了射电脉冲的模式 , 这项研究正好可以分辨两种主流的闪电成因模型孰对孰错 。 相关的研究成果即将发表在《地球物理研究快报》上 。
宇宙线还是冰晶
对于闪电形成的机制 , 有一种理论认为 , 地球上闪电的形成 , 需要来自外太空的粒子的帮助 。 外太空的宇宙线与雷雨云中的电子碰撞 , 引发级联反应产生越来越多的电子 , 从而增强雷雨云中的电场 , 产生电火花 。
然而新的观测结果支持了另一种理论:闪电始于雷雨云内的冰晶簇 。 冰晶之间混乱的碰撞擦去了它们的一些电子 , 使每个冰晶的一端带正电 , 另一端带负电 。 正电端从附近的空气分子中吸引电子 , 在冰晶尖端形成延伸出去的电离空气带 , 这被称为“流光”(streamer) 。
每个冰晶尖端产生了成片的流光 , 流光不断分岔 , 加热周围的空气 , 从空气分子夺走大量的电子 , 使得更大的电流流向冰晶 。 最终 , 一个流光变得足够热 , 导电性也足够高 , 就成为了一个先导(leader)——能允许真正的闪电移动的电离通道 。
LOFAR的研究人员依据观测数据重建了闪电发生的过程 。 他们发现 , 射电脉冲先是呈指数使增长 , 增长停止后 , 闪电发生的位置附近出现了一个先导 。 他们推测这可能是流光的级联反应导致的 。 而冰晶在闪电形成中的的关键作用 , 也与最近的情况相吻合 。 即在新冠疫情开始的头三个月内 , 闪电活动减少了10%以上 。 研究人员认为 , 疫情期间的封城和工厂停摆等举措 , 导致空气中污染物减少 , 没有足够的凝结核形成冰晶 , 进而减少了闪电活动 。
荷兰埃因霍温理工大学的物理学家尤特·埃伯特(Ute Ebert)没有参与这项研究 。 她先是称赞了LOFAR研究人员的工作 , 他们提供了高分辨率的闪电数据 , 允许后续的研究者在此基础上建立精确的闪电模型 。 然而 , 埃伯特也指出 , LOFAR并没有直接对电离空气的冰晶成像 , 它只是观测到了随后发生的事情 , 那么最初的电离过程是如何开始的?现在很少有研究人员还支持宇宙线直接引发闪电的理论 , 但埃伯特表示 , 宇宙射线仍然可能扮演次要的角色 , 它们可能触发了冰晶附近的第一道流光 。
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