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寻找雷神之锤

2003-12-11 13:51 作者:鲁伊 2003年第48期
如果佛罗里达理工学院的约瑟夫关于闪电理论的论文是正确的,那么,我们现在关于电闪雷鸣的知识,可能有一大部分都是错的

佛罗里达的闪电

如果佛罗里达理工学院的约瑟夫•杜艾尔关于闪电理论的论文是正确的,那么,我们现在关于天空中电闪雷鸣的知识,可能有一大部分都是错的

北欧神话里,长着红胡子的雷神托尔(Thor)最神奇的宝物是他手中那把威力惊人的雷神之锤(Mjollnir)。当他挥动大锤时,空中发出可怕的眩目亮光,映在凡人的眼中,就是天上的闪电。而当托尔驾驶着两匹山羊牵引的战车在云海中奔驰时,车轮滚动的巨大声响,便是轰隆的雷声。英语和北欧语系中的星期四(Thursday或Thorsday)其实就是“雷神之日”。因为这个原因,本刊记者采访约瑟夫杜艾尔(Joseph Dwyer)时,第一个问题或许最好应该是:“为什么你不在一份星期四出版的刊物上发表你的论文呢?”

这当然只是一个玩笑。杜艾尔的论文——《空气中电场的基本极限》(A fundamental limit on electric fields in air)——发表在2003年第30期《地球物理物理研究快报》(Geophysical Research Letters)上。它是美国地球物理联合会(AGU)创办于1974年的一本半月刊,主要刊登相对简短扼要的地球物理研究论文。这些论文通常被认为将直接而立刻地影响到其他研究人员正在进行中的工作。

杜艾尔现在是佛罗里达理工学院物理和空间科学系的一名助理教授,他的主要研究领域是空间中的高能粒子运动及其测量。他对闪电的兴趣始于两年前,那时,他刚刚搬到被称为“美国闪电之都”的中佛罗里达。

中佛罗里达是全世界闪电出现频率最高的地区之一,只有乌干达等少数热带非洲国家能够与其媲美。在夏季的6月和7月,几乎每个下午三四点钟,都会有闪电在空中闪过。据统计,每年佛罗里达州闪电击中地面的总数超过100万次。空旷的平地、水池旁边、树底下,甚至是农用拖拉机,都是闪电频频光顾之地。不过,也是因为这个原因,使得佛罗里达成为杜艾尔眼中“研究闪电的最理想的地方”。

对闪电的科学研究最早可以追溯到18世纪。1752年6月,本杰明富兰克林(Benjamin Franklin)在费城完成了最著名的“风筝实验”,证明闪电是一种电流。在那之后,许多科学家投身到雷电研究中,并发展出一整套雷电预测、观察、防范的科学体系。然而,在风筝实验过去250年后,整个科学界对于雷电是如何形成并在云层中传播的原理的了解,依然还处在猜测阶段。

我们知道,雷声是由闪电引起的。以每秒18.6万英里的速度前进的闪电温度可高达27760摄氏度——太阳表面的平均温度只有6000摄氏度,它迅速加热周围的空气,使其骤然膨胀而产生振动,轰隆隆的雷声便由此而生。那么,闪电又是从哪里来的呢?

“当然不是来自神话中托尔的雷神之锤,虽然我也很喜欢这个故事。”杜艾尔说,“目前,大多数科学家所接受的解释是,大气中的电场是闪电产生和传播的必要条件。”

可以设想一个放在你面前的三明治:我们脚下的地球和地球大气上方的电离层是两片导电性极好的“面包”,而中间的地球大气却是良好的绝缘体。大地带负电荷,而电离层则带正电荷,两者间的电压相差约有30万伏。通常认为,当地面含水蒸汽的空气受热上升或暖湿空气与冷空气相遇而被抬升时,会形成雷雨云。在雷雨云中,上升气流和下降气流导致水分子相互碰撞,放出电子。这些电子积蓄到一定数量和强度时,就会冲破大气的束缚,形成闪电。

这个理论有一个无法解释的硬伤:多年以来,使用各种观测设备和研究方法,研究人员们迄今为止依然没能观测到足够强大、可以导致闪电释放的电场的存在。一些科学家认为这只是因为努力不够。他们假定,这种电场一定存在于某个特定的难以测量到的区域。此外,测量电场的仪器设备反应时间慢于高能电场产生的时间也是原因之一。

但是,今年早些时间,杜艾尔在佛罗里达理工学院的同事却发现,在观测到的37次闪电中,有31次在闪电照亮天空的那10到100毫秒里,会爆发出巨大的伽玛射线和X射线,释放出大量高能粒子。这种现象通常只出现在外层空间中,地球的大气层会将它们阻挡大半,并减缓它们前进的速度。

这一发现激起了杜艾尔的好奇心:在这短短的一刹那,究竟发生了什么?可能的最强的电场的界限到底是多少?在自然界的雷雨云中,是否真的存在一个如此巨大的电场?

杜艾尔建立了一个新的三维模型来模拟大气中逃逸电子击穿空气的情景。在以往模型的基础上,杜艾尔将X射线和伽玛射线的轫致辐射生成因素也考虑在内。“结果让我大吃一惊。就像一个水桶最多只能装那么多水一样,大气也只能容纳一定大小的电场,”杜艾尔说,“在一个强大的电场中,会爆发出高能粒子辐射,其峰值可以达到传统模式中高能粒子辐射强度的10亿倍。这种爆发会生成大量的逃逸电子,使电场迅速放电。这样,雷雨云中可能永远都积蓄不了以往我们所假定存在的那种巨大的、能够产生闪电的超级电场。”

那么,为什么我们的世界中又确实存在着闪电呢?对此,杜艾尔给出的解释是“或许”——“或许,这种X射线和伽玛射线限制电场强度的过程在某些地区和某些情况下会促成集中的放电。当这种集中的放电时间足够长的时候,就会引发闪电。”这个猜测并不像他的否定那样有说服力。

著名的古生物学家和科普作家斯蒂芬古德尔曾经说过,或许最能暴露我们无能的事情,就是回答那些孩子们提出的最明白、最天真的问题:为什么天是蓝的?为什么草是绿的?“有些事情我们以为知道,因为它们太简单了,并且就存在于我们身边。但是当我们真的要解答这些问题时,便发现其实是很难回答的。”闪电是怎么形成的?杜艾尔只能告诉我们它不是怎样形成的,却不能给出真正的答案。也许,在雷电的秘密被最终揭开之前,讲一个北欧红胡子雷神和他的大锤的故事,会比相信一个不太靠得住的理论更合适。

关于闪电的故事与数字

在拿破仑战争时期,曾经有超过220艘英国军舰因为被雷电击中而损毁。最好的解决办法当然是安装避雷针。然而,因为发明避雷针的人是大英帝国的“叛徒”——本杰明富兰克林,为了保持自己不可侵犯的尊严,英国海军断然拒绝使用避雷针。直到1830年左右,英国海军上将见识到了闪电的威力,才把美国殖民地的老账放在一边,开始在军舰上全面安装避雷针。

在进行风筝实验的同时,富兰克林还使用原始的蓄电池——莱顿瓶——做了一系列动物试验。这些试验包括,要用多少个小莱顿瓶才能电死一只鸡?如果换成火鸡,需要多大的莱顿瓶?为什么被电死的火鸡尝起来味道比用一般方法杀死的火鸡美味?据说,富兰克林敢于冒险进行风筝实验的动力,就是为了给他大大小小的莱顿瓶充电。

在地球上,每一秒钟就有100次闪电闪过天空。

根据统计,下午3点49分是出现闪电频率最高的时间。

一个人平均被雷电击伤的几率是二十八万分之一,但如果你的家人或朋友曾经被雷电击中过的话,这个几率就上升到了三百分之一。

家中是躲避雷电的最安全的地方,但记着要远离电话、电器和自来水管,也不要站在窗前欣赏闪电的美景。第二安全的地方是汽车里——当然不能是敞篷的。但有人会在雷雨天开着敞篷车外出吗?

闪电会导致森林大火,但森林大火反过来也会引发闪电。烟雾和碳颗粒会触发雷雨云放电。有记录显示,90年代的墨西哥森林大火显著增加了该地区的闪电发生频率。

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