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        為什么閃電在天空中呈現(xiàn)“之”字形

        2023-06-01 06:43:32一博
        奧秘(創(chuàng)新大賽) 2023年4期
        關鍵詞:云層洛克字形

        ●一博 編

        世界各地的閃電幾乎每秒發(fā)生50次,但是對于這些能量驚人的閃光,我們?nèi)杂性S多東西需要了解。一個長年未解的謎團是,為什么閃電在天空中閃爍時呈現(xiàn)出“之”字形,澳大利亞的科學家們現(xiàn)在已經(jīng)提出了一個解釋,將其歸結為電子和分子之間的碰撞,產(chǎn)生了一系列所謂的“臺階”。

        在過去五年左右的時間里,我們看到研究人員對雷擊科學有了一些迷人的見解。包括發(fā)現(xiàn)通過雷擊事件產(chǎn)生的伽馬射線可以在空氣中產(chǎn)生反物質(zhì),有證據(jù)表明它們的電磁場可以對活細胞產(chǎn)生保護作用,以及令人驚嘆的高速攝像機拍攝的閃電分支從云中斷裂的畫面。

        盡管我們對這些天氣事件的認識不斷提高,但雷擊的物理學順序仍然不清楚。為什么閃電會從云層中發(fā)出,并沿著“之”字形的路徑落向地球,這個問題已經(jīng)困擾了科學家半個世紀,但南澳大利亞大學的等離子體物理學家約翰·洛克博士現(xiàn)在提出了一個相對有說服力的解釋。

        洛克說:“有幾本關于閃電的教科書,但沒有一本解釋過人字形(后文稱為臺階)是如何形成的,為什么連接臺階和云層的導電柱仍然是黑暗的,以及閃電如何能夠穿越數(shù)公里?!?/p>

        當閃電從雷云中出現(xiàn)時,它以大約50米長的臺階出現(xiàn)。這些臺階在一秒鐘內(nèi)閃亮,然后在另一秒鐘內(nèi)變暗,然后再形成另一個臺階,在同樣的微不足道的時間內(nèi)閃亮。這些臺階不斷重復,一個接一個,直到閃電到達地球,雖然肉眼基本看不到,但高速攝影已經(jīng)使科學家們能夠記錄這種戲劇性的接力放電。

        但是,為什么這些步驟會以這樣的方式形成?當閃電沿途經(jīng)歷轉瞬即逝的黑暗時刻時,怎么會有一個連續(xù)的電連接?在新發(fā)表的研究中,洛克和他的同事將這一效應歸結為所謂的單子-德爾塔可轉移的氧分子。這些高能分子是在電子與氧分子碰撞時產(chǎn)生的,導致它們脫離并重新分配電場。

        其結果是產(chǎn)生了一個導電柱,在“臺階”向“地面”推進的過程中保持與云層的連接,甚至在變暗時也是如此。這得益于氧分子的刺激,迫使它們進入“可轉移”狀態(tài),當其數(shù)量足夠多時,這一現(xiàn)象可以使空氣導電。

        洛克在為《對話》雜志撰寫的一篇附文中寫道:“因此,當足夠多的可轉移狀態(tài)被創(chuàng)造出來,以分離出大量的電子時,閃電步驟就會發(fā)生。在這個步驟的黑暗部分,可轉移狀態(tài)和電子的密度正在增加。在5000萬分之一秒之后,臺階可以導電,臺階頂端的電動勢增加到大約是云的電動勢,并產(chǎn)生進一步的臺階。”

        根據(jù)科學家們的說法,對雷擊的更好理解可以帶來對建筑物、飛機和人的更好防雷保護措施。由多面手本杰明·富蘭克林在1752年發(fā)明的避雷針仍然是我們在這方面的主要措施,其作用是吸引閃電并將其電荷接地。避雷針固定在建筑物的頂部能保護結構不受損害,但更好地了解雷擊是如何形成的,就可以幫助發(fā)明保護建筑環(huán)境的新工具。

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