闪电的别样打开方式

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　　前几天，北京上演了电闪雷鸣般的科幻大片，一边是漫画般的晚霞，一边是黑云压城般的乌云，科幻感十足。
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　　闪电
　　闪电拥有着大自然的神秘力量，在我国古代也一直以＂雷公电母＂的形象存在于神话传说中，直到18世纪富兰克林用风筝实验揭示了闪电的真正面目，才证明闪电并不是天神作法，而是带电云层相遇所产生的一种放电现象。
　　富兰克林风筝实验
　　闪电现在一般多指对流层大气放电，是静电放电的一种。简单来说就是天空中的某一块云层与另一块云层或者大地，由于所带电荷相反而产生的瞬间放电的现象，我们也把这种达到对流层顶高度且能产生闪电的积雨云称为雷暴云。
　　雷暴云带电的原因目前占主导地位的是＂非感应起电＂。具体来说就是大气对流的不稳定和能量的剧烈变动使雷暴云内部含有大量的冰晶、软雹、过冷水等不同的水成物粒子，这些粒子出现增长、碰撞、合并、分离等过程，使雷暴云内形成了携带不同电荷的电荷层。
　　雷暴云电荷分布
　　当雷暴云中的电荷分离达到一定程度，导致云内的电场积累增强时，最终就会使空气击穿并进一步形成闪电。闪电一般伴随着雷声，当闪电发生的时候，巨大的电流能加热空气，使空气体积急剧膨胀，从而产生冲击波，导致强烈的雷鸣。
　　地闪
　　云闪
　　闪电可以发生在同一块云的不同部位之间，也可以发生在云与云之间、云和地之间。发生在云和地之间的闪电称为云-地闪电。由于云-地闪电与我们人类的活动和生命安全密切相关，所以对它开展的研究也最多。
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　　人工引雷
　　一般情况下，我们用肉眼看到的闪电都是奇形怪状、蜿蜒曲折的，很少看到直线条的闪电。这是因为闪电在放电过程中，电流流动时，首先会选择更容易通过电流的地方，但空气中存在不同的导电气态分子，而且空气的温度和湿度也不同，所以当电流经过的时候，在不断选择更容易导电物质的过程中就会出现弯曲的现象。
　　蜿蜒曲折的闪电
　　而将一根导线拉直，里面通上电流，那么电流在直线中经过就会出现直线的闪电。所以，人工引来的闪电是笔直，引雷时由一架小火箭拖曳金属导线快速升空，火箭升空后这条金属导线就被拉直，这样雷电产生后就会沿着笔直的金属导线＂一路向下＂。
　　人工火箭引雷简略图，改自b站快乐小黄豆视频
　　当引雷试验场上方有雷暴云经过时，选取合适的条件向上发射尾部拖曳金属导线的引雷火箭，快速上升的火箭会促使放电通道起始并向上发展入云，最终形成云和地之间强烈的放电现象。所以我们看到的画面中，空中一端的雷电呈弯曲形状，只是延伸到地面这段是呈直线状。
　　中科院大气所进行人工引雷实验
　　再谈谈为什么要进行人工引雷？自然界闪电的发生充满了瞬时性和随机性，转瞬即逝难以捕捉，很难开展直接探测；我们也无法模拟真实几亿伏起步的闪电，导致我们对自然界闪电了解难上加难。
　　而人工引雷触发闪电的过程，和自然闪电的过程是十分相似的，所以能提供最接近真实的自然雷电模拟源。人工引雷实验可以使闪电的发生在时间和空间上有一定的可预知性和可控制性，便于集合多种手段同步观测。人工引雷可以为认识闪电发生发展的物理本质提供条件，为雷电定位系统提供标定源，并进行真实条件下雷击防护测试。
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　　向上的＂闪电＂
　　如果我们从太空中看云层，还会看到很多地球高层大气中的特殊放电现象。因为这些现象的出现具有短暂性和神秘性，他们的名字也都十分梦幻可爱，比如＂红色精灵＂、＂淘气精灵＂。
　　但他们体型巨大，足以在大气层中延绵数十公里。
　　太空视角的红色精灵
　　红色精灵（red sprite）是在雷暴上空中高层大气中出现的一种空气介质击穿现象。在距地表五六十公里的高度上气压很低，空气非常稀薄，在这种低气压条件下，强烈的闪电产生的电场扰动容易导致空气介质的电击穿。相对普通闪电来说，红色精灵是出现在中高层大气中的放电现象，是强度很大的普通闪电在雷暴上空的广阔空间引起的进一步放电。
　　贵阳天空出现的红色精灵
　　红色精灵上半部是红色，底部则渐渐转变为蓝色，通常发出巨大但微弱的闪光，但只能持续几到几十毫秒，如鬼魅一般难以捉摸，也称为＂幽灵闪电＂。
　　中高层大气放电现象
　　红色精灵是最常见的中高层大气放电现象，其他还有蓝色喷流（blue jets）、淘气精灵（elves）和光晕（Halo）等。但这些＂精灵＂都出现在浓厚雷暴云上空的中高层空间中，因为云层的遮挡，地面上的观测者无法通过肉眼看到。不过国际空间站在距地球400多公里的高空运行，为观察中高层大气放电现象提供了完美的视角。
　　国际空间站捕捉到的蓝色喷流
　　目前针对红色精灵和蓝色喷流已经进行了很多观测，但关于其具体的形成机制还有待进一步的研究探索。
　　图片来源网络
　　参考文献
　　1.郄秀书张其林袁铁.雷电物理学(地学卷)(精)[M].科学出版社,2013.
　　2.杨静,冯桂力.中国大陆地区雷暴上方的巨大喷流[J].科学通报,2012,57(34):3301-3311.
　　3.维基百科.红色闪电
　　4. Ren, H., Lu, G., Cummer, S. A., Peng, K.-M., Lyons, W. A., Liu, F., et al. (2021). Comparison between high-speed video observation of sprites and broadband sferic measurements. Geophysical Research Letters, 48, e2021GL093094. https://doi.org/10.1029/2021GL093094.
　　美编：陈添鑫
　　校对：李玉钤、赵娜
　　来源：中科院地质地球所
　　来源: 中科院地质地球所