科学家们长期以来一直未能完全理解闪电是如何在云层中形成的，但新研究有望解开这个持久的谜题。
闪电长久以来既令科学家也令非科学家感到恐惧和着迷。对于如此相对常见的现象，引发闪电的确切大气过程一直笼罩在神秘之中，但新研究提供了一些诱人的线索。
一个由工程师和气象学家组成的团队相信，他们已经破解了闪电如何在云顶形成的奇特案例，而他们的解决方案来自一个在破解气候谜团方面日益发挥影响力的竞争者：数学模型。描述这一新模型的论文于7月28日发表在《地球物理研究杂志》（Journal of Geophysical Research）上，该论文阐释了即将产生闪电的雷暴云内部的情况。
这项新研究表明，在这些云层内部，强大的电场加速电子，产生一股令人心悸的X射线、电子和高能光子流，进而迸发成巨大的闪电。除了这一开创性的理论见解，研究人员还提出，产生闪电的独特机制可能为开发新型X射线源铺平道路。
在这项研究中，一个工程师和气象学家团队在先前一个模拟产生闪电物理条件的模型基础上进行了改进。该研究的资深作者、宾夕法尼亚州立大学的电气工程师维克多·帕斯科（Victor Pasko）于2023年开发了这一模型。接下来，他们将升级后的数学模型与其他研究小组使用地面传感器、卫星数据和高空侦察机收集的实地观测数据进行了比较。他们特别关注识别附近的地面伽马射线闪光（TGF）事件 —— 这是一种与闪电相关的、不可见的X射线和无线电波爆发。
他们发现，当电场迫使雷暴云内部的电子撞击空气中的氮原子和氧原子时，这些电子会辐射出高能光子 —— 即X射线。这引发了一场新的、带高电荷电子的“雪崩”，这些电子将能量传递给更多的电子，最终释放出一阵光子，我们看到的景象就是一道令人心悸的电光弧划过天空。
“除了在非常小的空间体积内产生外，这种失控的链式反应还能以高度变化的强度发生，”帕斯科在一份声明中说。这种变化性也可能解释了雷暴云附近存在“光学上暗淡且无线电静默”的TGF事件的原因，因为这些带电电子的不均匀分布常常伴随着“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”。
根据论文所述，这个新模型还提供了“第一个完全时间依赖性的模拟”，该模型可以普遍应用于“在不同高度观测到的事件，并与观测结果进行定量比较”。该研究的合著者、宾夕法尼亚州立大学的博士生扎伊德·佩尔韦兹（Zaid Pervez）解释说，这与此前类似的研究不同，那些研究通常只模拟雷暴云的有限局部区域。
有时，离我们最近的谜团反而需要最长时间才能解释。对我来说，这些新发现的答案真正巧妙之处在于，它们往往建立在简单却直观的数学思想之上。举个最近的例子，科学家们最终通过计算剪切力（即一种材料在摩擦另一表面时的弯曲程度）发现了静电是如何工作的。
当然，这些研究中使用的数学并非我们在小学里会学到的那种，但驱动这些复杂计算的核心概念是从一个简单的起点出发。迄今为止，这一策略似乎相当奏效。
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