一项新研究表明，引发雷暴所需的巨大能量可能源于外星宇宙射线。这些高能粒子撞击大气层，引发连锁反应，形成“电子雪崩”，最终产生闪电。这个模型首次为闪电的形成提供了精确的定量解释，并说明了为何在闪电前会探测到伽马射线和X射线。
一个长达数百年的谜团
尽管本杰明·富兰克林在1752年就证实了闪电的电学本质，但一个核心问题始终未能解决：风暴云究竟如何积聚起足以产生雷击的强大电场？
- 根据飞机和气象气球的实际测量，风暴云内的电场强度，远低于理论上引发电子向地面倾泻所需强度的十分之一。
- 这表明，一定存在某种机制，在相对较弱的电场中启动了闪电过程。
“我们的研究结果为自然界中闪电如何启动提供了第一个精确的、定量的解释，”研究主要作者、宾夕法尼亚州立大学电气工程教授维克多·帕斯科（Victor Pasko）表示。“它将X射线、电场和电子雪崩的物理学联系了起来。”
两种相互竞争的理论
关于闪电如何发生，主要存在两种理论：
- 大气静电理论： 认为风暴云中冰块的摩擦使电子从原子中分离出来，导致负电荷聚集。当电荷足够多时，它们会电离下方的空气，释放出足够多的电子，沿着多条分叉路径冲向地面。
- 宇宙射线理论： 认为最初的电离是由宇宙射线完成的。这些来自外太空的高能亚原子粒子撞击高层大气，引发失控的电子崩塌，最终形成击中地面的级联反应。
新模型支持宇宙射线理论
研究人员结合了地面传感器、卫星和高空侦察机的数据，并将其与一个模拟风暴云状况的数学模型进行匹配。
- 模型的模拟结果有力地支持了宇宙射线理论。
- 模拟显示，由高速质子（宇宙射线的主要成分）产生的电子会沿着电场线加速。
- 当这些电子撞击大气中的氮、氧等分子时，会产生更多电子，数量呈指数级增长，形成一场电子雪崩。
- 这场雪崩最终产生了引发闪电所需的高能光子。
解释闪电前的X射线和伽马射线
这个模型还有一个重要的贡献：它解释了为什么在闪电发生前，有时会观测到伽马射线和X射线等高能光子闪烁。
“在我们的模型中，相对论性电子雪崩产生的高能X射线，通过空气中的光电效应产生新的种子电子，迅速放大了这些雪崩，”帕斯科解释说。“这种失控的连锁反应可以以高度可变的强度发生，常常导致可探测水平的X射线，同时伴随着非常微弱的光学和无线电辐射。这解释了为什么这些伽马射线闪烁可以从看起来光学上昏暗且无线电静默的源区出现。”