用射电望远镜阵列揭开闪电形成之谜

闪电是自然界中最壮观的景象之一，它的温度可以与太阳表面的温度相媲美。然而，闪电的形成在科学界还没有一致的结论，因为云层中没有足够强大的电场来触发一开始的电火花。几十年来，科学家一直向雷暴云中发射气球、飞机等探测器，但测到的电场强度需要再乘以10才能满足理论要求。

我们对闪电最初阶段的研究碰到的最大障碍就是云。由于云的不透明性，即使最好的相机也无法看透其中。从1752年富兰克林风筝实验以来，科学家一直冒险向云层发射探测器以一窥其中的奥秘，从气象气球到专门研究的火箭，设备一直在更新升级，但我们却还不知道闪电的开始时间和雷暴内部的条件。一个重要的原因是，这些人为引入的探测器会引起不自然的火花释放，严重干扰了数据。

目前，有两种理论互相竞争。其中一种理论认为，来自外太空的宇宙射线与雷暴云中的电子发生碰撞，引发电子雪崩，从而加强了云层中的电场。另一种理论认为，雷暴云中的冰晶簇相互摩擦碰撞，导致在其尖端产生了一个很强的电场。

为了无干扰地观测雷暴云内部的物理条件，科学家转向了位于荷兰的低频射电望远镜阵列（LOFAR）。这个低频阵列由数千个小型射电望远镜组成，平时主要用于观测遥远的星系和爆炸的恒星。但是，如果有雷暴在其头顶时，它就会失去天文学作用，这时它刚好可以转向观测雷暴，而它恰好也适合用于测量闪电。

用射电望远镜探测闪电并不是什么新鲜事，有专门建造用来观测风暴的射电天线。不过，这些设备产生的图像只有二维，并且分辨率比较低。LOFAR是更先进的，可以在三个维度绘制闪电“地图”，并且帧速率比以往提高200倍。

一个闪电可以产生数百万个无线电脉冲，为了从混乱的数据中得出3D地图，研究人员使用了一种类似阿波罗登月的算法，在数千个射电望远镜中稳定循环，以不断更新闪电的位置信息，从而构造出精确的闪电“地图”。

2018年夏季，一道闪电在LOFAR上空掠过，这些数据直到最近才开始分析，得到的结果也发表在《地球物理评论快报》（journal Geophysical Research Letters）上。研究人员发现，这些数据支持的是冰晶簇理论。

针状冰晶之间的湍流碰撞擦掉了它们的一些电子，使每个冰晶的一端带正电，另一端带负电。正极从附近的空气分子中吸取电子，之后更多的电子从更远的空气分子流入，在每个冰晶尖端附近形成了被称为“飘带”的电离空气带。

每个冰晶尖端都会产生成群的飘带，个别的飘带会一次又一次地分支。流光加热周围的空气，从空气分子中提取电子，从而使更大的电流流到冰晶上。最终，一条流光变得足够热且具有导电性，足以变成一个先导。一条完全成熟的闪电可以沿着先导传播。