閃電能量並不如想象的巨大，但它帶給人們(men) 的不止是臭氧、氮肥和道友渡劫的傳(chuan) 說，還有氣象學和高能物理領域的一個(ge) 個(ge) 驚喜和未解之謎。

　　作者 | 龍浩（電子科學與(yu) 技術博士） 李紀爾

　　6月25日，世界氣象組織（WMO）公布了迄今為(wei) 止探測到的跨度最長的閃電。它有多長呢？橫向跨度709公裏！相當於(yu) 從(cong) 武漢直接閃到了上海。

　　不過，它並不是發生在我國境內(nei) ，而是在2018年10月31日發生於(yu) 巴西南部。WMO同時還公布了持續時間最久的閃電：2019年3月4日阿根廷北部，這道閃電持續了驚人的16.73秒。

　　橫向跨度最長和持續時間最久的閃電 | Geophysical Research Letters

　　這些“巨型閃電”的極端數據已超越傳(chuan) 統基站觀測範圍，它們(men) 到底是如何測量得到的？閃電的宏大威力中仿佛蘊藏著巨大的能量，這些能量可以為(wei) 人類所用嗎？科學家們(men) 孜孜不倦地完善“人工引雷”試驗，究竟收獲了什麽(me) ？

　　用衛星遙感和“人工引雷”研究閃電

　　近期全國多地出現了大到暴雨，防禦雷電災害成為(wei) 了許多地方政府的工作要務。如果能精確觀測並獲取各地雷電信息，對氣候變化研究和防災減災具有重要意義(yi) 。

　　觀測雷電，除了眼睛，還有“閃電成像陣列”（LMA）。它們(men) 部署於(yu) 多地地麵，利用觀測網絡測定閃電數據。但是，如果遇到大型閃電，它們(men) 就力不從(cong) 心了。

　　如今衛星遙感技術快速發展，它們(men) 直接從(cong) 更廣闊的高空俯視，可以探測到範圍更廣、時間更長的極端閃電並獲取關(guan) 鍵數據。最近公布的最長橫跨距離和最長持續時間的巨型閃電，就是被名為(wei) GOES-16的地球同步軌道環境衛星觀測到的。

　　GOES-16地球同步軌道環境衛星（由美國國家海洋與(yu) 大氣局管理） | Wikipedia.org

　　隨著這些“高大上”的觀測手段不斷進步，人們(men) 對閃電的了解也越發深刻。然而，閃電的發生具有一定的隨機性和不確定性，隻是守株待兔般等待，研究效率將十分低下。是否有方法對閃電的發生進行人工幹預呢？

　　有。我國氣象科學研究院連續多年開展了“人工引雷”試驗。這是去年7月的實驗場景，場麵酷炫如科幻大片。

　　我國人工引雷試驗 | 中國氣象局，2019

　　科學家們(men) 先通過閃電產(chan) 生的條件預測閃電形成區域，然後發射一枚拖拽著金屬絲(si) 導線的小火箭，通過金屬絲(si) 將閃電引至定點目標物。

　　引雷試驗成功實現了隨機閃電的定向引導，為(wei) 閃電這種小概率事件的研究提供了相對穩定可靠的實驗環境。

　　這樣成熟的引雷技術，目前僅(jin) 有中國、美國、日本、法國和巴西等少數幾個(ge) 國家掌握，還有許多國家正在努力研究中。

　　不過，這也令人好奇：全球科學家們(men) 如此執著於(yu) 人工引雷，是為(wei) 了收集閃電的能量嗎？

　　閃電供能：現實遠不如理想豐(feng) 滿

　　閃電的威力似乎十分巨大，讓人類和動物們(men) 避之不及。我們(men) 經常會(hui) 看見樹木或動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 | 來自網絡

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

　　閃電巨大的威力來自於(yu) 它巨大的電流，峰值時可達幾萬(wan) 安培（2200瓦的家用大功率電取暖器額定電流也不過10安培）。但是，它持續的時間往往非常短，通常僅(jin) 有數十微秒（1微秒=0.000001秒）。因此，閃電實際輸送的能量並沒有想象中那麽(me) 大。

　　研究結果顯示，一道典型閃電輸送的能量大約在10億(yi) 焦耳，看似數值驚人。但事實上，1度電（1kWh）就有360萬(wan) 焦耳。換算一下，從(cong) 一道閃電中大約可獲取280度電，相當於(yu) 閃電電擊一下，僅(jin) 能充滿（或者報廢）一台特斯拉電動汽車。

　　如果按照1度電0.55元計算，一道閃電的價(jia) 值大約154元！這樣的產(chan) 能確實不太令人滿意。

　　盡管單次閃電能量小，但如果閃電總量很大呢？統計數據顯示，全球每年有近14億(yi) 次閃電發生，但它們(men) 分布於(yu) 世界各地，平均每年每平方公裏閃電超過200次的情況已經是比較少見了，並且其中僅(jin) 有25%的閃電轟擊大地，其他閃電直接在雲(yun) 層中釋放。

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

　　不僅(jin) 如此，閃電何時何地閃耀於(yu) 天際也實在難以把握，收集閃電隻能是一場佛係的等待。即使幸運地等來了閃電，超大電流和超高溫度的衝(chong) 擊對電能收集設備也是巨大的考驗，尚不成熟的電能存儲(chu) 技術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(cong) 閃電中獲取能量還無法滿足供配電係統“安全、可靠、優(you) 質、經濟”的要求，不具備可行性。“人工引雷”並不是為(wei) 了收集閃電能量。那麽(me) ，引雷到底是為(wei) 了什麽(me) 呢？

　　閃電：不斷湧現的驚喜和謎題

　　科學家們(men) 通過各種手段研究閃電，除了開發和測試雷電防護技術外，還承擔著十分重要的科學任務。

　　我們(men) 知道，當暴風雨來臨(lin) 時，雲(yun) 與(yu) 大地存在大量相反電荷。當它們(men) 積累到一定程度，就會(hui) 在雲(yun) 和大地之間產(chan) 生極高的電壓。高壓將擊穿本不能導電的空氣，形成一條“等離子體(ti) ”導電通路。電荷借由這條通路流過，形成巨大電流，從(cong) 而產(chan) 生了“雲(yun) -地”閃電。

　　引雷試驗就是利用小火箭引導金屬絲(si) 升空，連接雲(yun) 層和大地，人為(wei) 構建一條導電通路，讓電流沿著金屬絲(si) 流過，形成人工閃電。

　　“雲(yun) -地”閃電的形成（圖中雲(yun) 層帶負電，地麵帶正電） | Wikipedia.org

　　但是，雲(yun) 中電荷到底是如何積累的，科學界仍有爭(zheng) 議。

　　當前公認的一種觀點是：雲(yun) 層中存在水的各種形態，包括蒸氣、液滴、冰晶和冰水混合物“軟雹”。它們(men) 在複雜氣流環境下相互摩擦、撞擊。體(ti) 積極小的液滴和冰晶（帶正電）上升，又大又重的軟雹（帶負電）下降。因此，雲(yun) 層下部積累了大量負電荷，這些負電荷會(hui) 在地麵上感應出正電荷，於(yu) 是雲(yun) 地間就產(chan) 生了電壓。

　　然而，實際的大氣氣流、水的物相、空氣環境等情況以及導電通道建立過程等都遠比理論模型複雜的多，閃電形成的許多細節仍然成迷。

　　除此之外，發生幾率更高的雲(yun) 層內(nei) 或不同雲(yun) 層之間的閃電的成因並不明確；火山噴發、沙塵暴、森林大火、龍卷風等特殊情況下發生的閃電，以及地外行星（木星、土星等）上的閃電也蘊藏著許多不為(wei) 人知的秘密；劉慈欣筆下的球狀閃電在現實生活中頻頻被人們(men) 拍攝到，但仍缺少令人滿意的科學解釋。

　　許多理論和猜想，都需要更詳細、更精確的觀測數據來驗證或者推翻。

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

　　不僅(jin) 如此，閃電除了可以發出耀眼的可見光，還會(hui) 激發肉眼看不到的X射線和伽馬射線（波長極短的高能電磁波）。

　　物理學家認為(wei) ，在自然環境下，通常隻有劇烈的天體(ti) 事件（如爆炸的恒星）才能產(chan) 生伽馬射線。但越來越多的觀測結果表明，閃電發生地附近也有一定概率能探測到伽馬射線。這些伽馬射線和空氣分子相互作用後，能夠製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。

　　閃電仿佛是出現在地球上的天然粒子加速器，製造著一個(ge) 又一個(ge) 奇跡，令人們(men) 驚歎無比。

　　最長和最久的閃電讓我們(men) 感受到新型雷電探測技術的進步，引雷試驗讓閃電的人工控製成為(wei) 可能。盡管閃電能量並不如想象的巨大，但是它帶給人們(men) 的，不止是臭氧、氮肥和道友渡劫的傳(chuan) 說，還有氣象學和高能物理領域的一個(ge) 個(ge) 驚喜，抑或是更大的謎題。

　　參考文獻：

　　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

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

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