成像技术发展告诉你闪电可以有多大

北京时间12月18日消息，据国外媒体报道，　2017年10月22日，积聚在美国中部上空的风暴云释放出一道巨大的闪电，照亮了德克萨斯州、俄克拉荷马州和堪萨斯州的天空。这次震动横贯这三个州超过500公里，规模之大前所未有。一组研究人员写了一份关于这次闪电的研究报告，将其形容为“巨闪”(megaflash)。这是有史以来最长的闪电之一。

一般来说，正常的闪电长度在1到20公里之间，但随着测绘技术越来越先进，一些真正巨大的闪电逐渐进入我们的视线。最近的一些发现提出了一个有趣的问题：闪电的规模究竟能达到多大?我们应该担心这些大气中的“重量级选手”吗?

当强正电荷在雷暴云的一个区域发展，而强负电荷在另一个区域发展时，它们之间就会产生电流，进而产生闪电。美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的物理学家和高级研究员唐·麦克戈曼(Don MacGorman)参与了2017年“巨闪”研究报告的撰写，他说：“闪电是在一个电力非常强的地方产生的。它们变得足够强大，以至于空气再也承受不住电的力量，进而被分解。”

这意味着，随着电压的增长，局部空气的绝缘能力被破坏。研究人员认为，这是由于过量的电磁力开始加速空气中的自由电子(没有附着在原子或分子上的电子)，使其他电子从原子和分子中脱离出来。麦克戈曼说：“科学家称这个过程为电子雪崩，这就是我们所说的空气分解。”

这一过程最终会在空气中形成一个非常热的通道，就像一根电线，其两端向外延伸，通往导致“电子雪崩”的正电荷和负电荷。最终，这条通道将正电荷和负电荷连接起来，此时就会触发巨大的电流，我们称之为闪电。

麦克戈曼说：“可以把它想象成一个巨大的火花，从云里冒出来。”有时，通常包含正电荷的云层较低区域，其自身没有足够的电荷来阻止通道。于是，闪电持续增长，向下延伸到地面。当发生这种情况的时候，会触发一道拥有巨大电流的闪电，将雷暴云的一部分电荷传输到地面。当我们想到闪电时，大多数人通常会想到这些云地之间的通道，叉状的闪电猛烈地击向地表。

但是，是什么因素限制了这些巨型闪电的规模呢?

几十年来，研究人员一直试图回答这个问题。在垂直方向上，闪电的范围受到风暴云高度的限制，也就是从地面到云层顶点的距离——最高约为20公里。但是在水平方向上，一个更广阔的云系统提供了更大的空间。

早在1956年，一位名为迈伦·利达(Myron Ligda)的气象学家就证明了这一点，他用雷达探测到当时有记录以来最长的闪电——跨度长达100公里。

然后，在2007年，研究人员打破了记录，在俄克拉荷马州发现了一道长达321公里的闪电。麦克戈曼和同事们最近的研究又超越了这一数字。据研究人员计算，他们发现的这道“巨闪”发出了异常强烈的闪光，照亮了67845平方公里的地面。然而，即使是这样的闪电也被后来的发现超越了。在近期发表于《地球物理研究期刊：大气》(JGR atmosphere)的一项研究中，科学家描述了一次跨越673公里的闪电。

这样的巨型闪电十分罕见，但现在我们有了探测它们的技术，可以更频繁地发现它们。科学家已经不仅仅依靠使用天线和雷达的地基系统，而是开始从更加有利的位置——人造卫星——来观察闪电。最近两次破纪录的闪电都是通过名为“地球同步闪电成像仪”(Geostationary Lightning Mapper)的技术进行测量的。在环绕地球的两颗卫星上都安装了这种传感器，能提供其下方地球风暴系统的大范围图像。

麦克戈曼说：“这个系统可以对云层顶部发出的光做出反应，因此我们可以看到闪电发出的光，然后绘制它的地图，几乎可以覆盖整个半球。”

高分辨率的卫星图像结合地面“闪电成像阵列”(Lightning Mapping Array)的数据，为我们显示了2017年10月那次闪电的巨大范围。

然而，我们仍然不知道这些巨大的电子光源是如何增长到如此之长的。研究人员认为，云的大小是一个因素，因为云系统越大，就越有可能发生闪电。麦克戈曼补充道，巨型闪电的形成还需要一定的“中尺度过程，即大规模的气流，使该系统能够结合在一起，持续很长一段时间”。

那么，在这些巨型云所搭建的舞台上，闪电内部到底发生了什么呢?英国曼彻斯特大学研究雷暴起电现象的克里斯多夫·埃莫西奇(Christopher Emersic)说：“这些超级大雷暴看起来就像是连续不断的放电。”

他假设，如果一个云系统在一大片区域内高度带电，那么一系列的放电就会像一排倒下的多米诺骨牌一样穿过这一区域。“如果多米诺骨牌之间都没有太大的间隙，一个触发另一个，形成一连串的骨牌倒塌。另一方面，如果触发‘失败’，在这种情况下，你只能看到一次更小型的空间闪电事件，而不是一次巨闪。”

母云越大，放电继续传播的机会就越多。埃莫西奇说：“因此在原理上，如果电荷结构有利，巨闪云可以和母云一样大。”

这也意味着可能存在比目前已观察到的更大的闪电。麦克戈曼说：“风暴可以比我们所测量的那些更大。”换句话说，我们仍然不知道最大的闪电到底有多大。

尽管超级闪电很切合世界末日的景象，但它们并不一定比普通闪电更危险，“空间上跨度很广的闪电并不一定意味着携带更多的能量，”埃莫西奇解释道。此外，由于产生巨型闪电的云系统是如此庞大，因此很难预测它们。

“这样的事件经常会导致远离对流中心闪电活跃区域的地方受到地面雷击，”埃莫西奇说，“地面上的人可能以为风暴已经过去，但却被一场似乎不知从何而来、在空间上非常广阔的放电给吓了一跳。”

埃莫西奇表示，在全球变暖的背景下，引发超级闪电的风暴类型也有可能增加，“因此，间接地，合适的条件更有可能形成，从而使它们发生的频率增加。”

不过，就目前而言，超级闪电并不常见。麦克戈曼估计，它们只占闪电总量的1%。不过，也许在不久的将来，像他这样的研究人员就可能会发现更加惊人的巨型闪电，让人们对大自然的造化惊叹不已。

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