科學家首次成功錄下閃電的生成過程

天文射電望遠鏡在雷雨天氣無法觀測深空，科學家反而利用這個機會，調轉望遠鏡的天線來觀測雲層閃電，無意間揭開了雲層內電場強度之謎。

人們以為科學發展到今天，科學家早已經明白了雲層內產生閃電的原理。教科書是這樣介紹的：雲層內較重的大冰粒要下落、而較輕的小冰粒要上升，在這個互動過程中，大冰粒撞擊小冰粒導致小冰粒失去電子而帶上正電荷，最後雲層上方不斷聚集帶正電荷的小冰粒、下方聚集帶負電荷的大冰粒，從而形成一個電場，最後導致大規模放電形成閃電。

可是，科學家發現要產生放電的火花，所需的電場強度是雲層內電場強度的10倍左右。這份研究的主要作者之一美國​​新罕布什爾大學（University of Newhampshire）物理學家約瑟夫·德懷爾（Joseph Dwyer）告訴量子雜誌（Quanta Magazine）：「在過去幾十年里，人們送氣球、火箭、飛機到雷暴中心探測，從來沒測到過足夠強的電場。閃電是如何產生的其實真的是一個謎。」

一個主要的研究障礙是，雲層是不透明的，即使最先進的相機也無法透過雲層、看到閃電被激發的那一刻雲層裡面的情況。

德懷爾意外地想到，每道閃電都會產生數百萬個射電波，也許利用高精確度的低頻射電望遠鏡（LOFAR）可以發現更多線索。LOFAR是一個大型天文射電望遠鏡網絡，由2萬多個天線組成，遍布歐洲52個地點，其中38個位於荷蘭。科學家用它觀測遙遠的星系、爆炸的恆星。可是在烏雲密布、閃電交加的日子里，它無法被用於天文觀測。

這個研究組利用2018年荷蘭一次雷暴天氣的機會，調轉它的天線，對準上方天空的雲層，來觀測閃電發出的大量射電信號。研究人員分析了這些數據後，在2021年11月24日發表於地球物理研究通訊（Geophysical Research Letters）的一份論文中報告了他們的發現。

這份研究觀測到閃電是這樣形成的：冰晶之間的摩擦，導致針狀冰晶的一端帶正電荷、另一端帶負電荷。而帶正電的一端會不斷從空氣分子中吸引電子，大量電子從更遠處的空氣分子不斷流向這些冰晶，就在空氣中形成大量起始於這些冰晶的離子空氣帶。研究人員把這種帶狀結構稱為「流帶」（streamers）。

每個冰晶的一端都會生成大量這樣的「流帶」，而每條流帶自身又可以不斷分支、分叉。這些流帶加熱周圍的空氣，不斷把電子從空氣分子中剝離，不斷增強流向冰晶的電流。最後，某一條流帶發展成溫度最高、導電性最強的一條，於是突然放出閃電。

研究人員製作了一個視頻來動態地展示閃電的生成。研究認為，他們所發現的「流帶」機制是雲層內電場強度以指數級速度增長的重要原因。

不過研究人員表示這份研究只揭示了閃電被觸發這一瞬間的機制，閃電發生的整個過程仍然有很多問題沒有答案。合作研究者荷蘭格羅寧根大學（University of Groningen）的布賴恩·黑爾（Brian Hare）說：「我們不知道閃電怎樣傳播、發展以及它怎麼和地面連接。」

黑爾說，這份研究第一次使用了LOFAR射電望遠鏡這個全新的研究方法，開了一個先河，相信不久的將來會有更多的發現。