微小的"火花"或可解开闪电起源之谜

科学探索中常有这样的情形：当安德烈亚·施特尔纳的实验未能按预期进行时，却将她引向了更引人入胜的发现 —— 一种利用激光和单个微观粒子来研究闪电最初"火花"可能形态的方法。

施特尔纳是奥地利科学技术研究所的物理学研究员，她领导了一个国际研究团队，对基于光的"镊子"一种已知但了解甚少的能力进行了研究：即对其"捕获"的粒子进行充电。这为研究人员探索自然界最宏伟现象之一提供了新途径。

闪电如何产生是大气科学中最大的谜团之一。现有多种理论试图解释，云层内部是什么启动了最终形成闪电的级联放电过程。

每天约有近900万道闪电照亮地球，在最极端的情况下，它们会在云层中蜿蜒数百英里。

然而，考虑到我们对宇宙遥远角落中天体的物理特性已有诸多了解，却仍不清楚仅仅在我们头顶几公里高的云层中是什么触发了闪电，这着实令人惊讶。

科学家们曾发射气象气球测量雷雨云内部状况，驾驶飞机穿越风暴，并使用高速摄像机和传感器捕捉闪电及其引发的光核反应。

但闪电究竟如何起始，至今仍是一个悬而未决的问题。

已知的是，雷雨云会带上大量电荷。主流理论认为，云层中的冰晶与一种叫做"霰"的软雹碰撞时会带电；正负电荷分离，从而产生电场。

但这里存在一个问题。实测云层内部的电场相对较弱，远不足以将空气转化为可让电流通过的导体。

两位闪电科学家约瑟夫·怀尔和马丁·乌曼在2014年写道："这表明要么是我们的测量出了问题，要么是我们对雷暴环境中放电发生的理解有误。"

施特尔纳指出，可能云层内部存在科学家尚未发现的更高强度的电场区域，或者冰晶以某种方式产生了闪电起始所需的最初火花。

另一种可能性是高能宇宙射线：它们可能电离空气，产生大量自由电子，进而引发闪电。

"但话说回来，"施特尔纳说，"也可能是完全不同的东西，或者是所有这些因素的混合；我们不得而知。"

关于闪电如何起始的理论自20世纪五六十年代起便已存在，主要基于观测和计算机模拟，却很少在实验室实验中得到验证。

施特尔纳最初并非旨在研究闪电的起始，但她的研究正朝着这个方向迈进。

"我认为现在是重新审视这个问题的好时机，因为我们拥有了相应的技术，"施特尔纳说，她是物理学家斯科特·韦图凯蒂斯和气候科学家卡罗琳·穆勒实验室的博士生。

在最近的研究中，施特尔纳和同事们利用激光"捕获"一个微小的二氧化硅颗粒，并通过增加激光强度来测量该颗粒的电荷。当中性的二氧化硅颗粒积累电荷时，它会在激光的交变电场中发生"晃动"。

团队的测量结果表明，中性的二氧化硅颗粒很可能从激光中吸收了两个光子，这激发并释放出电子，使颗粒带正电。

但施特尔纳还注意到一个意外现象：有时，当一个颗粒被捕获数周后，它的晃动会突然减弱 —— 这是一种自发放电。如果这种现象发生在大气中，或许会触发更重大的事件，比如一道闪电。

"我们不知道它是如何发生的，但基本上电荷就是迅速下降了，"施特尔纳说，"我们非常有兴趣找出其原因，而这实际上与闪电起始的问题非常相似，只是尺度极其微小。"

目前，将这与闪电联系起来还仅是高度推测性的，因此施特尔纳仍在研究这些放电现象，并测试颗粒大小、湿度或压力是否会产生任何影响。

"一方面，这是我们研究的一个局限，因为一切都极其微小，10个电子并不能形成闪电，"施特尔纳说，"但另一方面，这是一种以非常高分辨率探究单个粒子充放电过程的方法。"

日本冲绳科学技术学院的物理学家丹·丹尼尔（未参与此项研究）表示，能够捕获单个亚微米粒子、可控地对其充电，并"以极高的分辨率"测量其电荷，"确实令人印象深刻"。

丹尼尔解释道："这正是最终探究水滴或冰粒子带电过程所需的精确度水平，是真正从微观层面理解闪电、云层带电和大气电学的重要一步。"

该方法在某些方面更贴近现实，因为它不使用金属电极来测量电荷。相反，颗粒像大气中的气溶胶一样悬浮在空中。

施特尔纳说，与之前的实验室实验相比，该方法使用的电场也更弱。

然而，一般认为在闪电起始过程中起主要作用的是云层中的冰晶，而非气溶胶，而且冰晶本身形态复杂奇特。

丹尼尔还指出，到达地球大气的阳光强度远低于这些实验中使用的激光。不过，有证据表明尘埃颗粒和气溶胶在紫外线照射下可以带电 —— 丹尼尔说，这可能通过单光子过程而非多光子过程实现。

月球上的尘埃受到紫外线和太阳风的轰击，也会带电并漂浮起来，从而堵塞月球车和仪器。

因此，丹尼尔说，该实验框架的意义"不仅限于闪电和云层带电研究，也适用于行星科学和太空探索中的问题"。

该研究已发表在《物理评论快报》上。

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