把天文望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)閃電會看到什么？

借助射電望遠(yuǎn)鏡陣列，一組研究人員首次觀測到閃電的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，并解釋了閃電為什么總會在一個地方重復(fù)出現(xiàn)。

——針狀結(jié)構(gòu)——

“這一發(fā)現(xiàn)與目前的認(rèn)識形成鮮明對比，目前認(rèn)為，閃電放電過程是電荷沿等離子體通道直接從云層的一部分流向另一部分，或者流向地面，”格羅寧根大學(xué) KVI-CART 研究所物理學(xué)教授 Olaf Scholten 解釋說。他的同事 Brian Hare 博士補(bǔ)充說，得益于 LOFAR 射電望遠(yuǎn)鏡的“超強(qiáng)能力”，研究人員得以首次觀測到這種細(xì)微的針狀結(jié)構(gòu)，“這些針狀結(jié)構(gòu)的長度為 100 米，直徑小于 5  米，對于其他閃電檢測系統(tǒng)來說太小了，而且存在時間太短暫?！?/p>

LOFAR 全稱“低頻陣列”（Low Frequency Array），是荷蘭的一臺射電望遠(yuǎn)鏡，由數(shù)千個比較簡單的天線組成，一直延伸到北歐。這些天線通過光纖電纜與中央計算機(jī)連接，也就是說，它們可以作為單個實(shí)體來運(yùn)行。LOFAR 主要用于射電天文觀測，但天線的頻率范圍也適用于閃電研究，因?yàn)殚W電放電過程會產(chǎn)生特高頻（very high frequency ，VHF）無線電波段。

——在云層中——

對于目前的閃電觀測，科學(xué)家們只使用了位于荷蘭的 LOFAR 觀測站，覆蓋面積為 3,200 平方千米。這項(xiàng)新研究分析了在 30-80 MHz 頻段內(nèi)的原始時間軌跡（精確到 1 納秒）。Brian Hare 說：“這些數(shù)據(jù)使我們能夠在一定尺度上探測閃電的傳播過程，在這個尺度上，我們第一次能夠區(qū)分閃電發(fā)生的主要過程。此外，借助無線電波，我們可以看到云層內(nèi)部，閃電的大部分過程都發(fā)生在這里?！?/p>

當(dāng)強(qiáng)上升氣流在大型積雨云中產(chǎn)生一種靜電時，閃電就會發(fā)生。一部分云層帶正電荷，而另一部分帶負(fù)電荷；當(dāng)這種正負(fù)電荷產(chǎn)生的電勢足夠大時，會發(fā)生劇烈的放電過程，這就是我們熟知的閃電。這種放電過程從等離子體（小范圍的能夠?qū)щ姟⒆銐驘岬碾婋x空氣）開始。這個小的區(qū)域逐漸延伸，形成一個分叉的等離子通道，可長達(dá)幾公里。等離子體通道的正電極從云層中收集負(fù)電荷，負(fù)電荷通過等離子通道到達(dá)負(fù)電極，然后被釋放。目前已知道，在負(fù)電荷通道的生長尖端處會產(chǎn)生大量 VHF，而正電荷通道只是沿通道放電，而不在尖端處放電。

——新的算法——

科學(xué)家們開發(fā)了一種新的算法來處理 LOFAR 數(shù)據(jù)，這使他們可以看到兩次放電過程中的 VHF 無線電發(fā)射。通過利用天線陣列，并對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行非常精確的時間標(biāo)記，他們能夠以前所未有的分辨率精確定位發(fā)射源?！霸?LOFAR 核心區(qū)域附近，天線密度最高，空間精度約為 1 米，”Scholten 教授說。此外，所獲得的數(shù)據(jù)能夠定位的 VHF 發(fā)射源數(shù)量達(dá)到其他三維成像系統(tǒng)的 10 倍，其時間分辨率也在納秒范圍內(nèi)。這一切使得研究團(tuán)隊得以生成閃電放電過程的高分辨率 3D 圖像。

——突破——

研究結(jié)果清楚地表明，在形成針狀結(jié)構(gòu)的位置上，放電通道發(fā)生了中斷。針狀結(jié)構(gòu)似乎使得負(fù)電荷從主要通道被釋放出來，隨后重新進(jìn)入云層，于是放電通道中電荷減少，導(dǎo)致了中斷。然而，一旦云層中的電荷再次累積到一定的量，電荷在放電通道中的流動就會恢復(fù)，從而形成第二次放電過程。通過這種機(jī)制，閃電將在同一區(qū)域反復(fù)發(fā)生。

Scholten 說：“沿著正電荷通道釋放的 VHF 是由于針狀結(jié)構(gòu)（先前形成的側(cè)通道）在相當(dāng)規(guī)律地重復(fù)放電而產(chǎn)生的。這些針狀結(jié)構(gòu)似乎以電脈沖方式釋放電荷?！边@是一個全新的現(xiàn)象，美國新罕布什爾大學(xué)（University of New Hampshire）的 Joe Dwyer 教授、該論文的第三作者補(bǔ)充道，：“我們新的觀測技術(shù)在閃電中顯示了大量的針狀結(jié)構(gòu)，這是以前沒有見過的?！倍?Brian Hare 總結(jié)：“從這些觀測中我們看到，云層的一部分被重新充電，因而可以理解為什么對地面放電的閃電可能會重復(fù)幾次?！?/p>

本文由淮安天文望遠(yuǎn)鏡廠家轉(zhuǎn)載自公眾號“科研圈”。