Nature：把天文望远镜对准闪电会看到什么?

来源：科研圈

借助射电望远镜阵列，一组研究人员首次观测到闪电的结构细节，并解释了闪电为什么总会在一个地方重复出现。

LOFAR 射电望远镜核心天线场，位于荷兰 Exloo 附近，图中闪电为后期添加。图片来源：Danielle Futselaar, www.artsource.nl

来源 格罗宁根大学

翻译 郑逸娴

与流行的看法不同，闪电经常会发生两次放电过程，但闪电通道被“重复利用”的原因仍然是个谜。现在，由格罗宁根大学（University of Groningen）领导的国际研究团队使用 LOFAR 射电望远镜揭示了闪电的发展过程，获得了前所未有的细节。他们的工作表明，云层中的负电荷不会在一次放电过程中完全消耗，在两次闪电的间隙，部分负电荷会沿着主放电通道（leader channel）分布。这个过程发生在被称为针状结构（needles）的内部。负电荷可能会通过这些针状结构对地面发生重复放电。该项研究成果发表于 4 月 18 日的《自然》（Nature）期刊上。

“这一发现与目前的认识形成鲜明对比，目前认为，闪电放电过程是电荷沿等离子体通道直接从云层的一部分流向另一部分，或者流向地面，”格罗宁根大学 KVI-CART 研究所物理学教授 Olaf Scholten 解释说。他的同事 Brian Hare 博士补充说，得益于 LOFAR 射电望远镜的“超强能力”，研究人员得以首次观测到这种细微的针状结构，“这些针状结构的长度为 100 米，直径小于 5  米，对于其他闪电检测系统来说太小了，而且存在时间太短暂。“

LOFAR 全称“低频阵列”（Low Frequency Array），是荷兰的一台射电望远镜，由数千个比较简单的天线组成，一直延伸到北欧。这些天线通过光纤电缆与中央计算机连接，也就是说，它们可以作为单个实体来运行。LOFAR 主要用于射电天文观测，但天线的频率范围也适用于闪电研究，因为闪电放电过程会产生特高频（very high frequency ，VHF）无线电波段。

对于目前的闪电观测，科学家们只使用了位于荷兰的 LOFAR 观测站，覆盖面积为 3,200 平方千米。这项新研究分析了在 30-80 MHz 频段内的原始时间轨迹（精确到 1 纳秒）。Brian Hare 说：“这些数据使我们能够在一定尺度上探测闪电的传播过程，在这个尺度上，我们第一次能够区分闪电发生的主要过程。此外，借助无线电波，我们可以看到云层内部，闪电的大部分过程都发生在这里。”

当强上升气流在大型积雨云中产生一种静电时，闪电就会发生。一部分云层带正电荷，而另一部分带负电荷；当这种正负电荷产生的电势足够大时，会发生剧烈的放电过程，这就是我们熟知的闪电。这种放电过程从等离子体（小范围的能够导电、足够热的电离空气）开始。这个小的区域逐渐延伸，形成一个分叉的等离子通道，可长达几公里。等离子体通道的正电极从云层中收集负电荷，负电荷通过等离子通道到达负电极，然后被释放。目前已知道，在负电荷通道的生长尖端处会产生大量 VHF，而正电荷通道只是沿通道放电，而不在尖端处放电。

科学家们开发了一种新的算法来处理 LOFAR 数据，这使他们可以看到两次放电过程中的 VHF 无线电发射。通过利用天线阵列，并对所有数据进行非常精确的时间标记，他们能够以前所未有的分辨率精确定位发射源。“在 LOFAR 核心区域附近，天线密度最高，空间精度约为 1 米，”Scholten 教授说。此外，所获得的数据能够定位的 VHF 发射源数量达到其他三维成像系统的 10 倍，其时间分辨率也在纳秒范围内。这一切使得研究团队得以生成闪电放电过程的高分辨率 3D 图像。

研究结果清楚地表明，在形成针状结构的位置上，放电通道发生了中断。针状结构似乎使得负电荷从主要通道被释放出来，随后重新进入云层，于是放电通道中电荷减少，导致了中断。然而，一旦云层中的电荷再次累积到一定的量，电荷在放电通道中的流动就会恢复，从而形成第二次放电过程。通过这种机制，闪电将在同一区域反复发生。

Scholten 说：“沿着正电荷通道释放的 VHF 是由于针状结构（先前形成的侧通道）在相当规律地重复放电而产生的。这些针状结构似乎以电脉冲方式释放电荷。”这是一个全新的现象，美国新罕布什尔大学（University of New Hampshire）的 Joe Dwyer 教授、该论文的第三作者补充道，：“我们新的观测技术在闪电中显示了大量的针状结构，这是以前没有见过的。”而 Brian Hare 总结：“从这些观测中我们看到，云层的一部分被重新充电，因而可以理解为什么对地面放电的闪电可能会重复几次。”