天空的闪电从哪来？科学家发现冰的隐藏属性，颠覆教科书认知

今年北方的雨季格外漫长，雷暴天气比往年多了不少。

坐在家里看着窗外的闪电，你可能以为科学家早就把这事儿研究透了。

毕竟避雷技术都这么成熟了，谁还会想 “闪电到底咋来的” 这种问题？

但真相是，我们对闪电的了解，可能连皮毛都算不上。

一直以来，气象学家都知道雷暴云里藏着不同电荷。

云顶的小冰粒带正电，中下部的霰粒带负电，最底下还有一小片正电荷区。

等电荷攒够了，空气被击穿，闪电就来了。

可最关键的问题没人能说清：这些电荷到底是怎么来的？

之前有说法认为，是冰粒和霰粒碰撞产生的电，就像材料被挤压时出现的 “压电效应”。

但很快就有人反驳 —— 自然冰的晶体结构是非极性的，根本不可能有压电效应。

这个矛盾一卡就是好几年，闪电的 “动力来源” 成了科学界的大谜团。

直到西安交通大学申胜平团队的研究成果发表在《自然・物理学》上，谜团才终于有了突破口。

他们发现，冰在弯曲的时候，内部会出现电极化，两端还会产生电势差，这就是 “挠曲电效应”。

而这个没人发现的特性，很可能就是闪电形成的关键。

说起来，这个发现还挺偶然的。

2020 年，团队成员文馨本来在测别的材料，结果接近零度时，仪器信号里多了个不该有的峰值。

一开始以为是水蒸气结成的冰影响了实验，等排查后才发现是设备参数错了。

但就是这次意外，让团队萌生了 “研究冰的挠曲电效应” 的想法。

为了准确测量，他们还专门琢磨出了制备纯冰的方法 —— 把抽过真空的去离子水注在电极片之间，再把温度降到零下 45 摄氏度，让水直接冻成冰梁。

最后测出冰的挠曲电系数，大概在纳库伦 / 米的量级。

更意外的是，电极和冰接触的地方，还会形成一层铁电 “皮肤层”，能进一步增强挠曲电效应。

虽然挠曲电效应比压电效应弱，但胜在适用范围广，而且材料越小、越薄，效果越强。

这一点，刚好能和雷暴云里的情况对上。

团队很快就想到，这可能和闪电有关，2023 年完成实验后，就把这个猜测写进了论文初稿。

可因为没有接触起电领域的研究背景，他们提出的雷电模型没让审稿人满意。

好在最后遇到了一位负责的审稿专家，不仅写了几十页的意见，还帮他们梳理了模型里的问题。

这位专家说：“这个领域太复杂，过去十年没什么进展，你们的理论能和实验结果对上，已经是奇迹了。”

在专家的帮助下，团队完善了模型，不仅能解释冰粒碰撞时的电荷转移量，还能说清雷暴云 “正负正” 的电荷分层结构。

简单来说，雷暴云里的小冰粒会被上升气流推着往上走，和往下落的霰粒（软雹）撞在一起。

高速碰撞时，两者接触的地方会弯曲形变，产生的挠曲电场会把冰球表面液体层里的正负离子分开 —— 正离子跑到冰粒上，负离子跑到霰粒上。

在云层高处，温度低，冰的挠曲电系数让冰粒带正电、霰粒带负电，所以云顶攒了大量正电荷，中下部是负电荷。

而到了靠近地面的地方，温度稍高，冰的挠曲电系数变了符号，霰粒反而带正电，这就有了云底的小范围正电荷区。

今年 8 月，中国科学院大气物理研究所还做了个补充实验。

他们在风洞里模拟雷暴云的环境，用高速摄像机记录冰粒和霰粒的碰撞过程。

结果发现，每次碰撞产生的电荷转移量，和申胜平团队的模型预测几乎一致。

而且当他们改变风洞的温度，让环境接近云底的温度时，电荷分布真的出现了反转，完全印证了 “挠曲电系数随温度变号” 的结论。

除了纯冰，团队还研究了盐冰。

毕竟自然界的冰大多含有杂质，海洋上空的云里更是有不少盐分。

他们把氯化钠掺进冰里，发现盐冰弯曲时的产电能力，最高能比纯冰强上千倍，而且产电机制和纯冰完全不一样。

这个发现后来还登上了《自然・材料学》的封面。

原来，在零下 65 摄氏度以上，盐冰的晶粒之间会出现 “准液体层”，盐分会聚集在这里。

弯曲盐冰的时候，准液体层里的钠离子会沿着纳米通道定向流动，形成离子电流，团队把这个机制命名为 “挠曲流电效应”。

现在，他们已经根据这个特性设计出了特殊的挠曲梁结构，测试时的输出功率能和目前最好的挠曲电材料钛酸锶钡媲美。

这意味着，未来盐冰说不定能用来做力电换能器，成为一种清洁能源。

甚至有天文学家猜测，木卫二表面的冰壳在受到撞击或构造活动时，可能也会通过这种效应产生电能，为冰层下的海洋提供生命所需的能量。

虽然一个研究没法完全解开闪电的所有谜题，但中国科学家的发现，确实为我们打开了新的大门。

从偶然发现实验异常，到破解困扰多年的科学难题，再到延伸出清洁能源的新可能，这背后不仅是科研人员的坚持，更是科学探索的魅力。

未来，随着更多研究的推进，说不定还有更多关于 “冰” 的惊喜在等着我们。