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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(guān)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(duì)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(gè)長(zhǎng)年未解的謎團(tuán)是,為什么閃電在天空中閃爍時(shí)呈現(xiàn)出“之”字形,澳大利亞的科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)提出了一個(gè)解釋,將其歸結(jié)為電子和分子之間的碰撞,產(chǎn)生了一系列所謂的“臺(tái)階”。

        在過(guò)去五年左右的時(shí)間里,我們看到研究人員對(duì)雷擊科學(xué)有了一些迷人的見(jiàn)解。包括發(fā)現(xiàn)通過(guò)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(chǎng)可以對(duì)活細(xì)胞產(chǎn)生保護(hù)作用,以及令人驚嘆的高速攝像機(jī)拍攝的閃電分支從云中斷裂的畫面。

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

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

        當(dāng)閃電從雷云中出現(xiàn)時(shí),它以大約50米長(zhǎng)的臺(tái)階出現(xiàn)。這些臺(tái)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(gè)臺(tái)階,在同樣的微不足道的時(shí)間內(nèi)閃亮。這些臺(tái)階不斷重復(fù),一個(gè)接一個(gè),直到閃電到達(dá)地球,雖然肉眼基本看不到,但高速攝影已經(jīng)使科學(xué)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(huì)以這樣的方式形成?當(dāng)閃電沿途經(jīng)歷轉(zhuǎn)瞬即逝的黑暗時(shí)刻時(shí),怎么會(huì)有一個(gè)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(yīng)歸結(jié)為所謂的單子-德?tīng)査赊D(zhuǎn)移的氧分子。這些高能分子是在電子與氧分子碰撞時(shí)產(chǎn)生的,導(dǎo)致它們脫離并重新分配電場(chǎng)。

        其結(jié)果是產(chǎn)生了一個(gè)導(dǎo)電柱,在“臺(tái)階”向“地面”推進(jìn)的過(guò)程中保持與云層的連接,甚至在變暗時(shí)也是如此。這得益于氧分子的刺激,迫使它們進(jìn)入“可轉(zhuǎn)移”狀態(tài),當(dāng)其數(shù)量足夠多時(shí),這一現(xiàn)象可以使空氣導(dǎo)電。

        洛克在為《對(duì)話》雜志撰寫的一篇附文中寫道:“因此,當(dāng)足夠多的可轉(zhuǎn)移狀態(tài)被創(chuàng)造出來(lái),以分離出大量的電子時(shí),閃電步驟就會(huì)發(fā)生。在這個(gè)步驟的黑暗部分,可轉(zhuǎn)移狀態(tài)和電子的密度正在增加。在5000萬(wàn)分之一秒之后,臺(tái)階可以導(dǎo)電,臺(tái)階頂端的電動(dòng)勢(shì)增加到大約是云的電動(dòng)勢(shì),并產(chǎn)生進(jìn)一步的臺(tái)階?!?/p>

        根據(jù)科學(xué)家們的說(shuō)法,對(duì)雷擊的更好理解可以帶來(lái)對(duì)建筑物、飛機(jī)和人的更好防雷保護(hù)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?cè)谶@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(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)建筑環(huán)境的新工具。

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