閃電的別樣打開方式

韓婷葦

夏夜，閃電常常劃破夜空，將黑夜瞬間變成白晝，伴隨著轟隆隆的雷鳴，一部部科幻大片正不停地在天空上映。

閃電擁有著大自然的神秘力量，它不是天神作法，而是帶電云層相遇所產(chǎn)生的一種放電現(xiàn)象，因不同云之間、云與大地之間強(qiáng)烈放電而形成。人們把這種達(dá)到對(duì)流層頂高度且能產(chǎn)生閃電的積雨云稱為雷暴云。

雷暴云之所以帶電，主要是因?yàn)椤胺歉袘?yīng)起電”。具體來(lái)說(shuō)，就是大氣對(duì)流的不穩(wěn)定和能量的劇烈變動(dòng)使雷暴云內(nèi)部產(chǎn)生了大量的冰晶、軟雹、過(guò)冷水等水成物粒子；這些粒子出現(xiàn)增長(zhǎng)、碰撞、合并、分離等過(guò)程，從而使雷暴云內(nèi)形成了攜帶不同電荷的電荷層；當(dāng)雷暴云中的電荷分離達(dá)到一定程度，導(dǎo)致云內(nèi)的電場(chǎng)積累增強(qiáng)時(shí)，就會(huì)擊穿空氣并形成閃電。

閃電一般伴隨著雷鳴。當(dāng)閃電發(fā)生的時(shí)候，巨大的電流將空氣加熱，使空氣體積急劇膨脹而產(chǎn)生沖擊波，導(dǎo)致強(qiáng)烈的雷鳴。

閃電可以發(fā)生在同一塊云的不同部位，也可以發(fā)生在云與云之間、云和地之間。發(fā)生在云和地之間的閃電被稱為云—地閃電。由于云—地閃電與人類的活動(dòng)和生命安全密切相關(guān)，所以對(duì)它開展的研究也最多。

一道閃電會(huì)有多長(zhǎng)？幾千米還是幾十千米？2022年2月1日，世界氣象組織發(fā)布消息稱，已監(jiān)測(cè)到一條長(zhǎng)達(dá)768千米的閃電，這條閃電于2020年4月29日出現(xiàn)在美國(guó)南部，橫跨了密西西比州、路易斯安那州和得克薩斯州三個(gè)州，是迄今為止探測(cè)到的單次長(zhǎng)度最長(zhǎng)的閃電。

一般情況下，我們用肉眼看到的閃電都是奇形怪狀、蜿蜒曲折的，這是因?yàn)殚W電在放電過(guò)程中，電流會(huì)選擇更容易通過(guò)的地方流動(dòng)，但空氣中存在不同的導(dǎo)電氣態(tài)分子，而且空氣的溫度和濕度也不同，所以在不斷選擇更容易導(dǎo)電物質(zhì)的過(guò)程中，電流流動(dòng)就會(huì)出現(xiàn)彎曲的現(xiàn)象。不過(guò)利用人工引雷技術(shù)，人們可以將四散的電流沿直線狀引到地面。

2021年7月，中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所在山東某試驗(yàn)基地開展了一次“人工引雷”試驗(yàn)活動(dòng)，引發(fā)社會(huì)關(guān)注。試驗(yàn)中，引火導(dǎo)體沖上云霄，隨后被雷電擊中，電光沿著導(dǎo)體直線狀傳輸?shù)降孛?，整個(gè)畫面非常震撼。人工引雷的過(guò)程簡(jiǎn)而言之是：當(dāng)引雷試驗(yàn)場(chǎng)上方有雷暴云經(jīng)過(guò)時(shí)，選取合適的條件向上發(fā)射尾部拖曳細(xì)鋼絲的引雷火箭；火箭升空后，細(xì)鋼絲將被拉直；細(xì)鋼絲尖端的位置發(fā)生了向上的尖端放電過(guò)程；放電形成了等離子通道，使得雷電沿著筆直的細(xì)鋼絲“一路向下”，最終形成云和地之間強(qiáng)烈的放電現(xiàn)象。

為什么要進(jìn)行人工引雷試驗(yàn)?zāi)?？這是因?yàn)樽匀唤玳W電的發(fā)生充滿了瞬時(shí)性和隨機(jī)性，人們既很難對(duì)閃電開展直接探測(cè)工作，也無(wú)法模擬真實(shí)的閃電發(fā)生過(guò)程，這導(dǎo)致人們對(duì)自然界閃電的了解難上加難；而人工引雷觸發(fā)閃電的過(guò)程和自然閃電發(fā)生的過(guò)程十分相似，所以能提供最接近真實(shí)的自然雷電模擬源。

人工引雷可以使閃電的發(fā)生在時(shí)間和空間上有一定的可預(yù)知性和可控制性，便于集合多種手段同步觀測(cè)。人工引雷還可以為認(rèn)識(shí)閃電發(fā)生、發(fā)展的物理本質(zhì)提供條件，為雷電定位系統(tǒng)提供標(biāo)定源，并進(jìn)行真實(shí)條件下的雷擊防護(hù)測(cè)試。

閃電一般發(fā)生在對(duì)流層，而如果我們從太空中看云層，還會(huì)看到很多地球高層大氣中的特殊放電現(xiàn)象。因?yàn)檫@些現(xiàn)象的出現(xiàn)具有短暫性和神秘性，它們的名字也都十分夢(mèng)幻，比如“紅色精靈”“淘氣精靈”。

“紅色精靈”是在雷暴上空中高層大氣中出現(xiàn)的一種空氣介質(zhì)擊穿現(xiàn)象。在距地表五六十千米的高度上，氣壓很低，空氣非常稀薄，強(qiáng)烈的閃電產(chǎn)生的電場(chǎng)擾動(dòng)很容易導(dǎo)致空氣介質(zhì)的電擊穿。相對(duì)普通閃電來(lái)說(shuō)，“紅色精靈”是出現(xiàn)在中高層大氣中的放電現(xiàn)象，是強(qiáng)度很大的普通閃電在雷暴上空的廣闊空間引起的進(jìn)一步放電。

“紅色精靈”上半部是紅色，底部漸漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)色，通常發(fā)出巨大但微弱的閃光。由于只能持續(xù)幾毫秒到幾十毫秒，如鬼魅一般難以捉摸，也被稱為“幽靈閃電”。

除了“紅色精靈”，還有“藍(lán)色噴流”“淘氣精靈”和“光暈”等。這些“精靈”都出現(xiàn)在濃厚雷暴上空的中高層空間中，因?yàn)樵茖拥恼趽?，地面上的觀測(cè)者很難通過(guò)肉眼看到，好在高空運(yùn)行的國(guó)際空間站為觀察它們提供了完美的視角。

目前，針對(duì)“紅色精靈”和“藍(lán)色噴流”，科研人員已經(jīng)進(jìn)行了多次觀測(cè)，但關(guān)于其具體的形成機(jī)制還有待進(jìn)一步的研究探索。