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大家都见过闪电 ， 也都知道闪电来自于云层间的放电 。 然而对于闪电形成的细节 ， 现有理论的解释依然不清晰 。 有科学家提出闪电需要在外太空宇宙线的帮助下才能形成 ， 也有科学家认为闪电源自雷雨云内的冰晶簇 。 为了验证这些理论 ， 一帮天文学家突发奇想 ， 把他们原本用来观测遥远星系的射电望远镜对准了闪电 ， 观察到了意外的现象……
编译|白德凡
审校|王昱
闪电是极为常见的气象现象 。 1752年 ， 本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）把一个风筝放进了雷雨云中 。 他在风筝线上绑上一把钥匙 ， 等风筝飞入闪电中 ， 用指关节碰钥匙就会冒出电火花 。 这个著名的“风筝实验”验证了天上的闪电和地上的放电现象拥有共同的本质 ， 都是正负电荷瞬间中和产生的 。
【疫情期间，闪电频率为何会降低？科学家用天文望远镜得到答案】不过天上的云是怎么带上电荷的呢？教科书上给出的答案说 ， 在雷雨云中 ， 较轻的冰晶上升 ， 较重的霰下降 ， 二者相互摩擦导致冰晶带上正电而霰带上负电 。 于是正电荷在雷雨云的上部积累 ， 负电荷在雷雨云的底部积累 ， 产生了一个不断增强的电场 ， 最终一个巨大的电火花击穿了云层 ， 产生了闪电 。


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这种闪电机制的解释看起来非常合理 ， 却有一个重大的缺陷：按照这种方式产生的电场过于微弱 ， 它至少还要增强10倍才可能产生电火花 。 这个缺陷让闪电成因的细节依然扑朔迷离 ， 科学家不得不思考 ， 是否有什么关键的机制被他们忽略了 。
新的闪电形成理论不断提出 ， 为了验证这些假说 ， 科学家需要观察雷雨云内部发生了什么 。 但这并不是件容易的事情 ， 因为云是不透明的 ， 科学家需要将气象气球和火箭送入雷雨云采集数据 。 然而这些物体的加入会人为地在云中产生电火花 ， 进而干扰数据 。 2018年 ， 荷兰低频阵列（LOFAR）射电望远镜的科学家突发奇想 ， 把原本应该对准外太空遥远星系的望远镜对准了地球上的闪电 ， 他们发现这个工具比气象气球和火箭好用得多 ， 并得到了一些能确定闪电形成机制的关键线索 。
望远镜对准闪电
当雷暴滚过头顶时 ， LOFAR几乎无法进行天文观测 。 因此 ， 科学家调整了望远镜的天线 ， 以探测从每次闪电中发出的数百万束射电脉冲 。 与可见光不同 ， 频率更低的射电脉冲可以穿过厚厚的云层被望远镜接收 。


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使用射电探测器来观察闪电并不是新鲜事 ， 美国新墨西哥州建造过专门的射电天线长期观测风暴 。 但这样绘制出的闪电图像分辨率很低 ， 或是只有二维 。 而LOFAR是一种非常先进的天文望远镜 ， 它可以绘制出精确到米的三维闪电图像 ， 帧率达到先前的仪器的200倍 。 在LOFAR的帮助下 ， 科学家得到了第一张真正清晰的雷雨云内部图像 。
一个闪电会产生数百万个射电脉冲 ， 为了从这堆混乱的射电数据中重建闪电的三维图像 ， 研究人员采用了一种类似于阿波罗登月时使用过的算法 ， 这种算法可以不断更新待测物体的位置 。 该算法基于LOFAR数千根天线收集的数据 ， 不断更新射电脉冲的位置， 绘制了清晰的闪电图像 。