详细镜头终于揭开了触发闪电的原因

在一篇即将发表在《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）杂志上的新论文中，研究人员利用这些观察结果解决了关于什么触发闪电的长期争论--这是闪电产生、成长和传播到地面的神秘过程的第一步。

新论文的共同作者、来自格罗宁根大学的闪电研究人员布莱恩·哈雷（Brian Hare）说：“这有点令人尴尬。这是地球上能量最大的过程，我们有围绕这个东西的宗教，但我们不知道它是如何工作的”。

教科书上的描述是，在雷云中，冰雹随着较轻的冰晶上升而落下。冰雹擦掉了冰晶的带负电的电子，导致云的顶部变得带正电，而底部变得带负电。这就产生了一个电场，这个电场不断扩大，直到一个巨大的火花跳过天空。

然而，云层内的电场大约弱了 10 倍，无法产生火花。新罕布什尔大学的物理学家约瑟夫·德怀尔（Joseph Dwyer）说：“几十年来，人们一直将气球、火箭和飞机送入雷暴中，但从未见过足够大的电场。这一直是一个真正的谜，它是如何开始的”。他也是这篇新论文的共同作者，二十多年来一直在思考闪电的起源。

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一个很大的障碍是，云是不透明的；即使是最好的相机也无法窥视其内部以看到启动的时刻。直到最近，这使得科学家们没有什么选择，只能冒险进入风暴中--自 1752 年本杰明-富兰克林的著名风筝实验以来，他们一直在尝试这种做法。

(根据同时代的描述，富兰克林将一把钥匙挂在风筝上，在雷云下放飞，观察到风筝通了电。） 最近，气象气球和火箭提供了内部的快照，但它们的存在往往会干扰数据，因为它们人为地制造了不会自然发生的火花。Dwyer 说：“长期以来，我们真的不知道雷暴内部在闪电发生的时间和地点是什么情况”。

因此，Dwyer 和他的团队转向了低频阵列（LOFAR），这是一个主要在荷兰的由数千个小型射电望远镜组成的网络。LOFAR 通常凝视着遥远的星系和爆炸的星星。但据 Dwyer 说，"它恰好对测量闪电也非常有效"。

当雷暴从头顶滚过时，LOFAR 能做的有用的天文学就很少了。因此，该望远镜调整其天线，以探测从每个闪电中发出的一百万左右的无线电脉冲。与可见光不同，无线电脉冲可以穿过厚厚的云层。

使用无线电探测器来绘制闪电图并不新鲜；专门建造的无线电天线早就在新墨西哥州观测到了风暴。但是这些图像是低分辨率的，或者只是二维的。LOFAR，一个最先进的天文望远镜，可以在三维空间中以一米一米的尺度绘制照明图，而且帧率比以前的仪器快200倍。Dwyer 说：“LOFAR 的测量让我们第一次真正清楚地了解到雷暴内部发生了什么”。

一个实体化的闪电会产生数以百万计的无线电脉冲。为了从混乱的数据中重建一个三维闪电图像，研究人员采用了一种类似于阿波罗登月时使用的算法。该算法持续更新关于一个物体位置的已知信息。单个无线电天线只能显示闪光的大致方向，而增加第二个天线的数据就能更新位置。通过稳定地循环使用LOFAR的数千根天线，该算法构建了一个清晰的地图。

当研究人员分析2018年8月闪电的数据时，他们看到无线电脉冲都来自风暴云深处一个70米宽的区域。他们很快推断，脉冲的模式支持关于最常见类型的闪电如何开始的两个主要理论之一。

闪电从云层内的冰晶簇开始。针状晶体之间的湍流碰撞刷掉了它们的一些电子，使每个冰晶体的一端带正电，另一端带负电。正面的一端从附近的空气分子中吸取电子。更多的电子从更远的空气分子中流入，形成从每个冰晶尖端延伸出来的电离空气带。这些被称为流线（streamers）。

每个晶体尖端都会产生成群的流星，单个流星会一次又一次地分支开来。流线加热了周围的空气，从空气分子中大量地撕扯出电子，从而使更大的电流流向冰晶。最终，一个流线变得足够热和导电，变成了一个龙头--一个成熟的闪电条纹可以突然沿着这个渠道行驶。

荷兰埃因霍温科技大学研究闪电启动的物理学家Ute Ebert说："LOFAR所设定的步骤当然非常重要。她说，LOFAR的启动电影为建立精确的闪电模型和模拟提供了一个框架，而到目前为止，由于缺乏高分辨率的数据，这些模型和模拟一直受到阻碍。