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為什麼閃電經常兩次擊中

為什麼閃電經常兩次擊中

一項新的研究揭示了帶正電荷的閃電引線中的針狀結構

與人們普遍認為的相反,閃電通常會擊中兩次,但閃電通道被「重複使用」的原因仍然是個謎。現在,格羅寧根大學的研究小組利用洛法射電望遠鏡對閃電的發展進行了前所未有的詳細研究。他們的工作揭示了雷雨雲內部的負電荷並不是在一瞬間全部釋放出來的,而是在中斷時部分存儲在主通道旁邊。這發生在研究人員稱之為針的結構內部。通過這些針,負電荷可能會導致反覆放電到地面。

這一發現與目前的情況形成了鮮明的對比,在目前的情況下,電荷沿著等離子體通道直接從雲層的一個部分流向另一個部分,或者流向地面。低頻陣列(LOFAR)是荷蘭的一種射電望遠鏡,由分布在北歐的數千個相當簡單的天線組成。這些天線通過光纖電纜與中央計算機相連,這意味著它們可以作為一個單獨的實體運行。LOFAR主要用於射電天文觀測,但天線的頻率範圍也使其適合於閃電研究,因為放電會在甚高頻(甚高頻)無線電波段產生爆炸。

在目前的閃電觀測中,科學家們只使用了荷蘭的LOFAR站,它覆蓋了3200平方公里的面積。這項新研究分析了30-80 MHz頻段的原始時間軌跡(精確到1納秒)。這些數據使我們能夠在一定範圍內檢測閃電傳播,這是我們第一次能夠區分主要過程。此外,無線電波的使用使我們能夠看到雷雲的內部,那裡是大多數閃電的所在。

當強上升氣流在大積雨雲中產生一種靜電時,就會發生閃電。雲的一部分帶正電荷,另一部分帶負電荷。當電荷間隔足夠大時,就會發生猛烈的放電,我們稱之為閃電。這种放電從等離子體開始,等離子體是一小塊電離空氣,其溫度足以導電。這個小區域成長為一個分叉的等離子通道,可以達到數公里的長度。等離子體通道的正極尖端從雲中收集負電荷,負電荷通過通道到達負極尖端,負極尖端的電荷被釋放出來。我們已經知道,大量的VHF排放是在負通道的尖端產生的,而正通道的排放只是沿著通道而不是在通道的尖端。

科學家們開發了一種新的LOFAR數據演算法,使他們能夠可視化兩次閃電產生的VHF無線電輻射。天線陣列和所有數據上非常精確的時間戳使他們能夠以前所未有的解析度精確定位發射源。靠近LOFAR的核心區,天線密度最高,空間精度約為一米,此外,所獲得的數據能夠定位比其他三維成像系統多10倍的甚高頻源,時間解析度在納秒範圍內。這導致了一個高解析度的三維圖像的閃電放電。

結果清楚地表明,在形成針的位置,放電通道發生了斷裂。這些粒子似乎從主通道釋放負電荷,負電荷隨後又重新進入雲團。信道中電荷的減少引起了中斷。然而,一旦雲中的電荷再次變得足夠高,流經通道的電流就會恢復,導致第二次閃電放電。通過這種機制,雷擊會在同一區域反覆發生。

沿著正通道的VHF排放是由於沿著以前形成的側通道,即針,相當有規律地重複排放。這些針似乎以脈衝的方式排出電荷。這是一個全新的現象,新的觀測技術顯示,閃電中有大量的針,這是以前從未見過的,從這些觀察中,我們看到雲的一部分被重新充電,我們可以理解為什麼閃電放電到地面可能會重複幾次。


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