科学探索|详细镜头终于揭开了触发闪电的原因详细镜头终于揭开了触发闪电

在 2018 年夏季的一场风暴中，一道重要的闪电在荷兰的一个射电望远镜网络上方闪现。而这些望远镜最近才处理的详细记录揭示了以前没有人见过的东西：闪电实际上是在雷云中触发的。

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在一篇即将发表在《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）杂志上的新论文中，研究人员利用这些观察结果解决了关于什么触发闪电的长期争论--这是闪电产生、成长和传播到地面的神秘过程的第一步。
新论文的共同作者、来自格罗宁根大学的闪电研究人员布莱恩·哈雷（Brian Hare）说：“这有点令人尴尬。这是地球上能量最大的过程，我们有围绕这个东西的宗教，但我们不知道它是如何工作的” 。
教科书上的描述是，在雷云中，冰雹随着较轻的冰晶上升而落下。冰雹擦掉了冰晶的带负电的电子，导致云的顶部变得带正电，而底部变得带负电。这就产生了一个电场，这个电场不断扩大，直到一个巨大的火花跳过天空。
然而，云层内的电场大约弱了 10 倍，无法产生火花。新罕布什尔大学的物理学家约瑟夫·德怀尔（Joseph Dwyer）说：“几十年来，人们一直将气球、火箭和飞机送入雷暴中，但从未见过足够大的电场。这一直是一个真正的谜，它是如何开始的” 。他也是这篇新论文的共同作者，二十多年来一直在思考闪电的起源。

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图片来自于 Pixabay
一个很大的障碍是，云是不透明的；即使是最好的相机也无法窥视其内部以看到启动的时刻。直到最近，这使得科学家们没有什么选择，只能冒险进入风暴中--自 1752 年本杰明-富兰克林的著名风筝实验以来，他们一直在尝试这种做法。
(根据同时代的描述，富兰克林将一把钥匙挂在风筝上，在雷云下放飞，观察到风筝通了电。）最近，气象气球和火箭提供了内部的快照，但它们的存在往往会干扰数据，因为它们人为地制造了不会自然发生的火花。Dwyer 说：“长期以来，我们真的不知道雷暴内部在闪电发生的时间和地点是什么情况” 。
因此，Dwyer 和他的团队转向了低频阵列（LOFAR），这是一个主要在荷兰的由数千个小型射电望远镜组成的网络。LOFAR 通常凝视着遥远的星系和爆炸的星星。但据 Dwyer 说，"它恰好对测量闪电也非常有效" 。
当雷暴从头顶滚过时，LOFAR 能做的有用的天文学就很少了。因此，该望远镜调整其天线，以探测从每个闪电中发出的一百万左右的无线电脉冲。与可见光不同，无线电脉冲可以穿过厚厚的云层。
【科学探索|详细镜头终于揭开了触发闪电的原因】使用无线电探测器来绘制闪电图并不新鲜；专门建造的无线电天线早就在新墨西哥州观测到了风暴。但是这些图像是低分辨率的，或者只是二维的。LOFAR，一个最先进的天文望远镜，可以在三维空间中以一米一米的尺度绘制照明图，而且帧率比以前的仪器快200倍。Dwyer 说：“LOFAR 的测量让我们第一次真正清楚地了解到雷暴内部发生了什么” 。
一个实体化的闪电会产生数以百万计的无线电脉冲。为了从混乱的数据中重建一个三维闪电图像，研究人员采用了一种类似于阿波罗登月时使用的算法。该算法持续更新关于一个物体位置的已知信息。单个无线电天线只能显示闪光的大致方向，而增加第二个天线的数据就能更新位置。通过稳定地循环使用LOFAR的数千根天线，该算法构建了一个清晰的地图。