科學(xué)家們長(zhǎng)期以來(lái)一直未能完全理解閃電是如何在云層中形成的，但新研究有望解開(kāi)這個(gè)持久的謎題。

閃電長(zhǎng)久以來(lái)既令科學(xué)家也令非科學(xué)家感到恐懼和著迷。對(duì)于如此相對(duì)常見(jiàn)的現(xiàn)象，引發(fā)閃電的確切大氣過(guò)程一直籠罩在神秘之中，但新研究提供了一些誘人的線索。

一個(gè)由工程師和氣象學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)相信，他們已經(jīng)破解了閃電如何在云頂形成的奇特案例，而他們的解決方案來(lái)自一個(gè)在破解氣候謎團(tuán)方面日益發(fā)揮影響力的競(jìng)爭(zhēng)者：數(shù)學(xué)模型。描述這一新模型的論文于7月28日發(fā)表在《地球物理研究雜志》（Journal of Geophysical Research）上，該論文闡釋了即將產(chǎn)生閃電的雷暴云內(nèi)部的情況。

這項(xiàng)新研究表明，在這些云層內(nèi)部，強(qiáng)大的電場(chǎng)加速電子，產(chǎn)生一股令人心悸的X射線、電子和高能光子流，進(jìn)而迸發(fā)成巨大的閃電。除了這一開(kāi)創(chuàng)性的理論見(jiàn)解，研究人員還提出，產(chǎn)生閃電的獨(dú)特機(jī)制可能為開(kāi)發(fā)新型X射線源鋪平道路。

在這項(xiàng)研究中，一個(gè)工程師和氣象學(xué)家團(tuán)隊(duì)在先前一個(gè)模擬產(chǎn)生閃電物理?xiàng)l件的模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。該研究的資深作者、賓夕法尼亞州立大學(xué)的電氣工程師維克多·帕斯科（Victor Pasko）于2023年開(kāi)發(fā)了這一模型。接下來(lái)，他們將升級(jí)后的數(shù)學(xué)模型與其他研究小組使用地面?zhèn)鞲衅?、衛(wèi)星數(shù)據(jù)和高空偵察機(jī)收集的實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。他們特別關(guān)注識(shí)別附近的地面伽馬射線閃光（TGF）事件 —— 這是一種與閃電相關(guān)的、不可見(jiàn)的X射線和無(wú)線電波爆發(fā)。

他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電場(chǎng)迫使雷暴云內(nèi)部的電子撞擊空氣中的氮原子和氧原子時(shí)，這些電子會(huì)輻射出高能光子 —— 即X射線。這引發(fā)了一場(chǎng)新的、帶高電荷電子的“雪崩”，這些電子將能量傳遞給更多的電子，最終釋放出一陣光子，我們看到的景象就是一道令人心悸的電光弧劃過(guò)天空。

“除了在非常小的空間體積內(nèi)產(chǎn)生外，這種失控的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)還能以高度變化的強(qiáng)度發(fā)生，”帕斯科在一份聲明中說(shuō)。這種變化性也可能解釋了雷暴云附近存在“光學(xué)上暗淡且無(wú)線電靜默”的TGF事件的原因，因?yàn)檫@些帶電電子的不均勻分布常常伴隨著“可探測(cè)水平的X射線，同時(shí)伴隨著非常微弱的光學(xué)和無(wú)線電輻射”。

根據(jù)論文所述，這個(gè)新模型還提供了“第一個(gè)完全時(shí)間依賴性的模擬”，該模型可以普遍應(yīng)用于“在不同高度觀測(cè)到的事件，并與觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行定量比較”。該研究的合著者、賓夕法尼亞州立大學(xué)的博士生扎伊德·佩爾韋茲（Zaid Pervez）解釋說(shuō)，這與此前類(lèi)似的研究不同，那些研究通常只模擬雷暴云的有限局部區(qū)域。

有時(shí)，離我們最近的謎團(tuán)反而需要最長(zhǎng)時(shí)間才能解釋。對(duì)我來(lái)說(shuō)，這些新發(fā)現(xiàn)的答案真正巧妙之處在于，它們往往建立在簡(jiǎn)單卻直觀的數(shù)學(xué)思想之上。舉個(gè)最近的例子，科學(xué)家們最終通過(guò)計(jì)算剪切力（即一種材料在摩擦另一表面時(shí)的彎曲程度）發(fā)現(xiàn)了靜電是如何工作的。

當(dāng)然，這些研究中使用的數(shù)學(xué)并非我們?cè)谛W(xué)里會(huì)學(xué)到的那種，但驅(qū)動(dòng)這些復(fù)雜計(jì)算的核心概念是從一個(gè)簡(jiǎn)單的起點(diǎn)出發(fā)。迄今為止，這一策略似乎相當(dāng)奏效。

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