Nature：把天文望遠鏡對準閃電會看到什麽？

借助射電望遠鏡陣列，一組研究人員首次觀測到閃電的結構細節，並解釋了閃電為什麽總會在一個地方重復出現。

來源 格羅寧根大學

翻譯 鄭逸嫻

審校 戚譯引

與流行的看法不同，閃電經常會發生兩次放電過程，但閃電通道被“重複利用”的原因仍然是個謎。現在，由格羅寧根大學（University of Groningen）領導的國際研究團隊使用 LOFAR 射電望遠鏡揭示了閃電的發展過程，獲得了前所未有的細節。他們的工作表明，雲層中的負電荷不會在一次放電過程中完全消耗，在兩次閃電的間隙，部分負電荷會沿著主放電通道（leader channel）分布。這個過程發生在被稱為針狀結構（needles）的內部。負電荷可能會通過這些針狀結構對地面發生重複放電。該項研究成果發表於 4 月 18 日的《自然》（Nature）期刊上。

針狀結構

“這一發現與目前的認識形成鮮明對比，目前認為，閃電放電過程是電荷沿等離子體通道直接從雲層的一部分流向另一部分，或者流向地面，”格羅寧根大學 KVI-CART 研究所物理學教授 Olaf Scholten 解釋說。他的同事 Brian Hare 博士補充說，得益於 LOFAR 射電望遠鏡的“超強能力”，研究人員得以首次觀測到這種細微的針狀結構，“這些針狀結構的長度為 100 米，直徑小於 5 米，對於其他閃電檢測系統來說太小了，而且存在時間太短暫。“

LOFAR 全稱“低頻陣列”（Low Frequency Array），是荷蘭的一台射電望遠鏡，由數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連接，也就是說，它們可以作為單個實體來運行。LOFAR 主要用於射電天文觀測，但天線的頻率範圍也適用於閃電研究，因為閃電放電過程會產生特高頻（very high frequency ，VHF）無線電波段。

在雲層中

對於目前的閃電觀測，科學家們隻使用了位於荷蘭的 LOFAR 觀測站，覆蓋面積為 3,200 平方千米。這項新研究分析了在 30-80 MHz 頻段內的原始時間軌跡（精確到 1 納秒）。Brian Hare 說：“這些數據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，我們第一次能夠區分閃電發生的主要過程。此外，借助無線電波，我們可以看到雲層內部，閃電的大部分過程都發生在這裡。”

當強上升氣流在大型積雨雲中產生一種靜電時，閃電就會發生。一部分雲層帶正電荷，而另一部分帶負電荷；當這種正負電荷產生的電勢足夠大時，會發生劇烈的放電過程，這就是我們熟知的閃電。這種放電過程從等離子體（小範圍的能夠導電、足夠熱的電離空氣）開始。這個小的區域逐漸延伸，形成一個分叉的等離子通道，可長達幾公里。等離子體通道的正電極從雲層中收集負電荷，負電荷通過等離子通道到達負電極，然後被釋放。目前已知道，在負電荷通道的生長尖端處會產生大量 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

科學家們開發了一種新的算法來處理 LOFAR 數據，這使他們可以看到兩次放電過程中的 VHF 無線電發射。通過利用天線陣列，並對所有數據進行非常精確的時間標記，他們能夠以前所未有的分辨率精確定位發射源。“在 LOFAR 核心區域附近，天線密度最高，空間精度約為 1 米，”Scholten 教授說。此外，所獲得的數據能夠定位的 VHF 發射源數量達到其他三維成像系統的 10 倍，其時間分辨率也在納秒範圍內。這一切使得研究團隊得以生成閃電放電過程的高分辨率 3D 圖像。

突破

研究結果清楚地表明，在形成針狀結構的位置上，放電通道發生了中斷。針狀結構似乎使得負電荷從主要通道被釋放出來，隨後重新進入雲層，於是放電通道中電荷減少，導致了中斷。然而，一旦雲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，從而形成第二次放電過程。通過這種機制，閃電將在同一區域反覆發生。

Scholten 說：“沿著正電荷通道釋放的 VHF 是由於針狀結構（先前形成的側通道）在相當規律地重複放電而產生的。這些針狀結構似乎以電脈衝方式釋放電荷。”這是一個全新的現象，美國新罕布什爾大學（University of New Hampshire）的 Joe Dwyer 教授、該論文的第三作者補充道，：“我們新的觀測技術在閃電中顯示了大量的針狀結構，這是以前沒有見過的。”而 Brian Hare 總結：“從這些觀測中我們看到，雲層的一部分被重新充電，因而可以理解為什麽對地面放電的閃電可能會重複幾次。”