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最长闪电破纪录!一道闪电究竟有多少度电?

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作者:龙浩(电子科学与技术博士) 李纪尔来源:科普中国中央厨房

闪电能量并不如想象的巨大,但它带给人们的不止是臭氧、氮肥和道友渡劫的传说,还有气象学和高能物理领域的一个个惊喜和未解之谜。

  作者 | 龙浩(电子科学与技术博士) 李纪尔

  6月25日,世界气象组织(WMO)公布了迄今为止探测到的跨度最长的闪电。它有多长呢?横向跨度709公里!相当于从武汉直接闪到了上海。

  不过,它并不是发生在我国境内,而是在2018年10月31日发生于巴西南部。WMO同时还公布了持续时间最久的闪电:2019年3月4日阿根廷北部,这道闪电持续了惊人的16.73秒。

  

  横向跨度最长和持续时间最久的闪电 | Geophysical Research Letters

  这些“巨型闪电”的极端数据已超越传统基站观测范围,它们到底是如何测量得到的?闪电的宏大威力中仿佛蕴藏着巨大的能量,这些能量可以为人类所用吗?科学家们孜孜不倦地完善“人工引雷”试验,究竟收获了什么?

  用卫星遥感和“人工引雷”研究闪电

  近期全国多地出现了大到暴雨,防御雷电灾害成为了许多地方政府的工作要务。如果能精确观测并获取各地雷电信息,对气候变化研究和防灾减灾具有重要意义。

  观测雷电,除了眼睛,还有“闪电成像阵列”(LMA)。它们部署于多地地面,利用观测网络测定闪电数据。但是,如果遇到大型闪电,它们就力不从心了。

  如今卫星遥感技术快速发展,它们直接从更广阔的高空俯视,可以探测到范围更广、时间更长的极端闪电并获取关键数据。最近公布的最长横跨距离和最长持续时间的巨型闪电,就是被名为GOES-16的地球同步轨道环境卫星观测到的。

  

  GOES-16地球同步轨道环境卫星(由美国国家海洋与大气局管理) | Wikipedia.org

  随着这些“高大上”的观测手段不断进步,人们对闪电的了解也越发深刻。然而,闪电的发生具有一定的随机性和不确定性,只是守株待兔般等待,研究效率将十分低下。是否有方法对闪电的发生进行人工干预呢?

  有。我国气象科学研究院连续多年开展了“人工引雷”试验。这是去年7月的实验场景,场面酷炫如科幻大片。

  

  我国人工引雷试验 | 中国气象局,2019

  科学家们先通过闪电产生的条件预测闪电形成区域,然后发射一枚拖拽着金属丝导线的小火箭,通过金属丝将闪电引至定点目标物。

  引雷试验成功实现了随机闪电的定向引导,为闪电这种小概率事件的研究提供了相对稳定可靠的实验环境。

  这样成熟的引雷技术,目前仅有中国、美国、日本、法国和巴西等少数几个国家掌握,还有许多国家正在努力研究中。

  不过,这也令人好奇:全球科学家们如此执着于人工引雷,是为了收集闪电的能量吗?

  闪电供能:现实远不如理想丰满

  闪电的威力似乎十分巨大,让人类和动物们避之不及。我们经常会看见树木或动物被闪电烧焦或击中死亡的新闻。

  

  2016年,挪威一山庄上大片驯鹿被闪电击毙 | 来自网络

  如此“巨大”的能量,如果能有效地收集它们,将可能避免区域雷电灾害,同时还能作为绿色清洁能源使用,似乎是一箭双雕的好事。然而,实际情况可能和预想的不同。

  闪电巨大的威力来自于它巨大的电流,峰值时可达几万安培(2200瓦的家用大功率电取暖器额定电流也不过10安培)。但是,它持续的时间往往非常短,通常仅有数十微秒(1微秒=0.000001秒)。因此,闪电实际输送的能量并没有想象中那么大。

  研究结果显示,一道典型闪电输送的能量大约在10亿焦耳,看似数值惊人。但事实上,1度电(1kWh)就有360万焦耳。换算一下,从一道闪电中大约可获取280度电,相当于闪电电击一下,仅能充满(或者报废)一台特斯拉电动汽车。

  如果按照1度电0.55元计算,一道闪电的价值大约154元!这样的产能确实不太令人满意。

  尽管单次闪电能量小,但如果闪电总量很大呢?统计数据显示,全球每年有近14亿次闪电发生,但它们分布于世界各地,平均每年每平方公里闪电超过200次的情况已经是比较少见了,并且其中仅有25%的闪电轰击大地,其他闪电直接在云层中释放。

  

  平均每年每平方公里的闪电次数(红/黄色表示闪电高发) | Wikipedia.org

  不仅如此,闪电何时何地闪耀于天际也实在难以把握,收集闪电只能是一场佛系的等待。即使幸运地等来了闪电,超大电流和超高温度的冲击对电能收集设备也是巨大的考验,尚不成熟的电能存储技术也是亟待逾越的阻力。这些困难给原本就十分羸弱的闪电供能雪上加霜。

  因此,目前从闪电中获取能量还无法满足供配电系统“安全、可靠、优质、经济”的要求,不具备可行性。“人工引雷”并不是为了收集闪电能量。那么,引雷到底是为了什么呢?

  闪电:不断涌现的惊喜和谜题

  科学家们通过各种手段研究闪电,除了开发和测试雷电防护技术外,还承担着十分重要的科学任务。

  我们知道,当暴风雨来临时,云与大地存在大量相反电荷。当它们积累到一定程度,就会在云和大地之间产生极高的电压。高压将击穿本不能导电的空气,形成一条“等离子体”导电通路。电荷借由这条通路流过,形成巨大电流,从而产生了“云-地”闪电。

  引雷试验就是利用小火箭引导金属丝升空,连接云层和大地,人为构建一条导电通路,让电流沿着金属丝流过,形成人工闪电。

  

  “云-地”闪电的形成(图中云层带负电,地面带正电) | Wikipedia.org

  但是,云中电荷到底是如何积累的,科学界仍有争议。

  当前公认的一种观点是:云层中存在水的各种形态,包括蒸气、液滴、冰晶和冰水混合物“软雹”。它们在复杂气流环境下相互摩擦、撞击。体积极小的液滴和冰晶(带正电)上升,又大又重的软雹(带负电)下降。因此,云层下部积累了大量负电荷,这些负电荷会在地面上感应出正电荷,于是云地间就产生了电压。

  然而,实际的大气气流、水的物相、空气环境等情况以及导电通道建立过程等都远比理论模型复杂的多,闪电形成的许多细节仍然成迷。

  除此之外,发生几率更高的云层内或不同云层之间的闪电的成因并不明确;火山喷发、沙尘暴、森林大火、龙卷风等特殊情况下发生的闪电,以及地外行星(木星、土星等)上的闪电也蕴藏着许多不为人知的秘密;刘慈欣笔下的球状闪电在现实生活中频频被人们拍摄到,但仍缺少令人满意的科学解释。

  许多理论和猜想,都需要更详细、更精确的观测数据来验证或者推翻。

  

  火山闪电和木星闪电,蕴藏大量未知秘密 | Wikipedia.org & Nasa.gov

  不仅如此,闪电除了可以发出耀眼的可见光,还会激发肉眼看不到的X射线和伽马射线(波长极短的高能电磁波)。

  物理学家认为,在自然环境下,通常只有剧烈的天体事件(如爆炸的恒星)才能产生伽马射线。但越来越多的观测结果表明,闪电发生地附近也有一定概率能探测到伽马射线。这些伽马射线和空气分子相互作用后,能够制造出放射性同位素和正电子,这些正电子就是神秘的反物质。

  闪电仿佛是出现在地球上的天然粒子加速器,制造着一个又一个奇迹,令人们惊叹无比。

  最长和最久的闪电让我们感受到新型雷电探测技术的进步,引雷试验让闪电的人工控制成为可能。尽管闪电能量并不如想象的巨大,但是它带给人们的,不止是臭氧、氮肥和道友渡劫的传说,还有气象学和高能物理领域的一个个惊喜,抑或是更大的谜题。

  参考文献:

  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

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

  文章由“十点科学”(ID:Science_10)公众号发布,欢迎转发朋友圈,转载请注明出处。


文章分类: 地理视野