閃電能量并不如想象的巨大，但它帶給人們的不止是臭氧、氮肥和道友渡劫的傳說(shuō)，還有氣象學(xué)和高能物理領(lǐng)域的一個(gè)個(gè)驚喜和未解之謎。

　　作者 | 龍浩（電子科學(xué)與技術(shù)博士） 李紀(jì)爾

　　6月25日，世界氣象組織（WMO）公布了迄今為止探測(cè)到的跨度最長(zhǎng)的閃電。它有多長(zhǎng)呢？橫向跨度709公里！相當(dāng)于從武漢直接閃到了上海。

　　不過(guò)，它并不是發(fā)生在我國(guó)境內(nèi)，而是在2018年10月31日發(fā)生于巴西南部。WMO同時(shí)還公布了持續(xù)時(shí)間最久的閃電：2019年3月4日阿根廷北部，這道閃電持續(xù)了驚人的16.73秒。

　　橫向跨度最長(zhǎng)和持續(xù)時(shí)間最久的閃電 | Geophysical Research Letters

　　這些“巨型閃電”的極端數(shù)據(jù)已超越傳統(tǒng)基站觀測(cè)范圍，它們到底是如何測(cè)量得到的？閃電的宏大威力中仿佛蘊(yùn)藏著巨大的能量，這些能量可以為人類(lèi)所用嗎？科學(xué)家們孜孜不倦地完善“人工引雷”試驗(yàn)，究竟收獲了什么？

　　用衛(wèi)星遙感和“人工引雷”研究閃電

　　近期全國(guó)多地出現(xiàn)了大到暴雨，防御雷電災(zāi)害成為了許多地方政府的工作要?jiǎng)?wù)。如果能精確觀測(cè)并獲取各地雷電信息，對(duì)氣候變化研究和防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

　　觀測(cè)雷電，除了眼睛，還有“閃電成像陣列”（LMA）。它們部署于多地地面，利用觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)測(cè)定閃電數(shù)據(jù)。但是，如果遇到大型閃電，它們就力不從心了。

　　如今衛(wèi)星遙感技術(shù)快速發(fā)展，它們直接從更廣闊的高空俯視，可以探測(cè)到范圍更廣、時(shí)間更長(zhǎng)的極端閃電并獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)。最近公布的最長(zhǎng)橫跨距離和最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的巨型閃電，就是被名為GOES-16的地球同步軌道環(huán)境衛(wèi)星觀測(cè)到的。

　　GOES-16地球同步軌道環(huán)境衛(wèi)星（由美國(guó)國(guó)家海洋與大氣局管理） | Wikipedia.org

　　隨著這些“高大上”的觀測(cè)手段不斷進(jìn)步，人們對(duì)閃電的了解也越發(fā)深刻。然而，閃電的發(fā)生具有一定的隨機(jī)性和不確定性，只是守株待兔般等待，研究效率將十分低下。是否有方法對(duì)閃電的發(fā)生進(jìn)行人工干預(yù)呢？

　　有。我國(guó)氣象科學(xué)研究院連續(xù)多年開(kāi)展了“人工引雷”試驗(yàn)。這是去年7月的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，場(chǎng)面酷炫如科幻大片。

　　我國(guó)人工引雷試驗(yàn) | 中國(guó)氣象局，2019

　　科學(xué)家們先通過(guò)閃電產(chǎn)生的條件預(yù)測(cè)閃電形成區(qū)域，然后發(fā)射一枚拖拽著金屬絲導(dǎo)線的小火箭，通過(guò)金屬絲將閃電引至定點(diǎn)目標(biāo)物。

　　引雷試驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)閃電的定向引導(dǎo)，為閃電這種小概率事件的研究提供了相對(duì)穩(wěn)定可靠的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

　　這樣成熟的引雷技術(shù)，目前僅有中國(guó)、美國(guó)、日本、法國(guó)和巴西等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家掌握，還有許多國(guó)家正在努力研究中。

　　不過(guò)，這也令人好奇：全球科學(xué)家們?nèi)绱藞?zhí)著于人工引雷，是為了收集閃電的能量嗎？

　　閃電供能：現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)不如理想豐滿

　　閃電的威力似乎十分巨大，讓人類(lèi)和動(dòng)物們避之不及。我們經(jīng)常會(huì)看見(jiàn)樹(shù)木或動(dòng)物被閃電燒焦或擊中死亡的新聞。

　　2016年，挪威一山莊上大片馴鹿被閃電擊斃 | 來(lái)自網(wǎng)絡(luò)

　　如此“巨大”的能量，如果能有效地收集它們，將可能避免區(qū)域雷電災(zāi)害，同時(shí)還能作為綠色清潔能源使用，似乎是一箭雙雕的好事。然而，實(shí)際情況可能和預(yù)想的不同。

　　閃電巨大的威力來(lái)自于它巨大的電流，峰值時(shí)可達(dá)幾萬(wàn)安培（2200瓦的家用大功率電取暖器額定電流也不過(guò)10安培）。但是，它持續(xù)的時(shí)間往往非常短，通常僅有數(shù)十微秒（1微秒=0.000001秒）。因此，閃電實(shí)際輸送的能量并沒(méi)有想象中那么大。

　　研究結(jié)果顯示，一道典型閃電輸送的能量大約在10億焦耳，看似數(shù)值驚人。但事實(shí)上，1度電（1kWh）就有360萬(wàn)焦耳。換算一下，從一道閃電中大約可獲取280度電，相當(dāng)于閃電電擊一下，僅能充滿（或者報(bào)廢）一臺(tái)特斯拉電動(dòng)汽車(chē)。

　　如果按照1度電0.55元計(jì)算，一道閃電的價(jià)值大約154元！這樣的產(chǎn)能確實(shí)不太令人滿意。

　　盡管單次閃電能量小，但如果閃電總量很大呢？統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全球每年有近14億次閃電發(fā)生，但它們分布于世界各地，平均每年每平方公里閃電超過(guò)200次的情況已經(jīng)是比較少見(jiàn)了，并且其中僅有25%的閃電轟擊大地，其他閃電直接在云層中釋放。

　　平均每年每平方公里的閃電次數(shù)（紅/黃色表示閃電高發(fā)） | Wikipedia.org

　　不僅如此，閃電何時(shí)何地閃耀于天際也實(shí)在難以把握，收集閃電只能是一場(chǎng)佛系的等待。即使幸運(yùn)地等來(lái)了閃電，超大電流和超高溫度的沖擊對(duì)電能收集設(shè)備也是巨大的考驗(yàn)，尚不成熟的電能存儲(chǔ)技術(shù)也是亟待逾越的阻力。這些困難給原本就十分羸弱的閃電供能雪上加霜。

　　因此，目前從閃電中獲取能量還無(wú)法滿足供配電系統(tǒng)“安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)”的要求，不具備可行性?！叭斯ひ住辈⒉皇菫榱耸占W電能量。那么，引雷到底是為了什么呢？

　　閃電：不斷涌現(xiàn)的驚喜和謎題

　　科學(xué)家們通過(guò)各種手段研究閃電，除了開(kāi)發(fā)和測(cè)試?yán)纂姺雷o(hù)技術(shù)外，還承擔(dān)著十分重要的科學(xué)任務(wù)。

　　我們知道，當(dāng)暴風(fēng)雨來(lái)臨時(shí)，云與大地存在大量相反電荷。當(dāng)它們積累到一定程度，就會(huì)在云和大地之間產(chǎn)生極高的電壓。高壓將擊穿本不能導(dǎo)電的空氣，形成一條“等離子體”導(dǎo)電通路。電荷借由這條通路流過(guò)，形成巨大電流，從而產(chǎn)生了“云-地”閃電。

　　引雷試驗(yàn)就是利用小火箭引導(dǎo)金屬絲升空，連接云層和大地，人為構(gòu)建一條導(dǎo)電通路，讓電流沿著金屬絲流過(guò)，形成人工閃電。

　　“云-地”閃電的形成（圖中云層帶負(fù)電，地面帶正電） | Wikipedia.org

　　但是，云中電荷到底是如何積累的，科學(xué)界仍有爭(zhēng)議。

　　當(dāng)前公認(rèn)的一種觀點(diǎn)是：云層中存在水的各種形態(tài)，包括蒸氣、液滴、冰晶和冰水混合物“軟雹”。它們?cè)趶?fù)雜氣流環(huán)境下相互摩擦、撞擊。體積極小的液滴和冰晶（帶正電）上升，又大又重的軟雹（帶負(fù)電）下降。因此，云層下部積累了大量負(fù)電荷，這些負(fù)電荷會(huì)在地面上感應(yīng)出正電荷，于是云地間就產(chǎn)生了電壓。

　　然而，實(shí)際的大氣氣流、水的物相、空氣環(huán)境等情況以及導(dǎo)電通道建立過(guò)程等都遠(yuǎn)比理論模型復(fù)雜的多，閃電形成的許多細(xì)節(jié)仍然成迷。

　　除此之外，發(fā)生幾率更高的云層內(nèi)或不同云層之間的閃電的成因并不明確；火山噴發(fā)、沙塵暴、森林大火、龍卷風(fēng)等特殊情況下發(fā)生的閃電，以及地外行星（木星、土星等）上的閃電也蘊(yùn)藏著許多不為人知的秘密；劉慈欣筆下的球狀閃電在現(xiàn)實(shí)生活中頻頻被人們拍攝到，但仍缺少令人滿意的科學(xué)解釋。

　　許多理論和猜想，都需要更詳細(xì)、更精確的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證或者推翻。

　　火山閃電和木星閃電，蘊(yùn)藏大量未知秘密 | Wikipedia.org & Nasa.gov

　　不僅如此，閃電除了可以發(fā)出耀眼的可見(jiàn)光，還會(huì)激發(fā)肉眼看不到的X射線和伽馬射線（波長(zhǎng)極短的高能電磁波）。

　　物理學(xué)家認(rèn)為，在自然環(huán)境下，通常只有劇烈的天體事件（如爆炸的恒星）才能產(chǎn)生伽馬射線。但越來(lái)越多的觀測(cè)結(jié)果表明，閃電發(fā)生地附近也有一定概率能探測(cè)到伽馬射線。這些伽馬射線和空氣分子相互作用后，能夠制造出放射性同位素和正電子，這些正電子就是神秘的反物質(zhì)。

　　閃電仿佛是出現(xiàn)在地球上的天然粒子加速器，制造著一個(gè)又一個(gè)奇跡，令人們驚嘆無(wú)比。

　　最長(zhǎng)和最久的閃電讓我們感受到新型雷電探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，引雷試驗(yàn)讓閃電的人工控制成為可能。盡管閃電能量并不如想象的巨大，但是它帶給人們的，不止是臭氧、氮肥和道友渡劫的傳說(shuō)，還有氣象學(xué)和高能物理領(lǐng)域的一個(gè)個(gè)驚喜，抑或是更大的謎題。

　　參考文獻(xiàn)：

　　Peterson M J, Lang T J, Bruning E C, et al. New WMOCertified Megaflash Lightning Extremes for Flash Distance (709 km) and Duration(16.73 seconds) recorded from Space. Geophysical Research Letters, 2020, Accepted.

　　https://en.wikipedia.org/wiki/Lightning

　　http://www.cma.gov.cn/2011xwzx/2011xqxkj/cxgc/201906/t20190610_526774.html

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