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为什么闪电是之字形?

2023-01-23探索发现网

参考消息网1月23日报道 美国趣味科学网站1月14日刊登题为《为什么闪电是之字形?》的文章,作者是汤姆·梅特卡夫,内容编译如下:

闪电可以用明亮的闪光点亮天空,且能够以多种形态出现。但是,如果让你画闪电,你几乎肯定会画一个“之”字。什么原因导致闪电有了这种树枝状的形态?为什么闪电以之字形划过天空,而不是在雷雨云和地面之间以直线形式放电?

闪电的发生机制中仍有许多未解之谜。不过,研究人员已经开始了解闪电发生弯曲背后的原因。

南澳大利亚大学物理学家约翰·洛克说:“我们对地球上的大多数事情一清二楚———科学家能预测月食和日食,时间上的误差不到1秒。但对于常见的闪电,仍存在巨大的谜团。”洛克是一份解析闪电“阶梯形状”的研究报告的第一作者。 台湾新闻网

在这份2022年12月发表在英国《物理学学报D辑:应用物理》上的研究报告中,洛克及其同事提出,闪电呈独特的之字形是一种具有高导电性的氧气导致的。这种氧气随着闪电(有时可以跨越很远的距离)向地面传导而不规则地积聚。

洛克说,用超高速相机拍摄的闪电照片显示,在闪电发生前,充当“先导”的电离化空气像树枝一样从雷雨云底部扩展出来。在大多数情况下,这些“先导”过于暗淡,无法用肉眼看到。

洛克说,形成“阶梯形状”的是这些“先导”,而不是最终的闪电。

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空气通常是绝缘体,但在“先导”创造出的区域中,被称为“单重态氧”(能态低于正常水平的氧分子)、具有高导电性的特殊形态氧气的浓度较高。

洛克说,“先导”的每个转折———长约165英尺(约合50米)的“阶梯”———都是由电荷在这样一个区域放电导致的。

他解释说,最新一个“阶梯”的强磁场几乎瞬间把大气中的普通氧分子变成额外的单重态氧分子,这种具有高导电性的高浓度氧气可以在“阶梯”末端向各个方向扩展。

“先导”在大约百万分之一秒的时间里通过“阶梯”依次放电(每次之后都会有一个转瞬即逝的“黑暗”时期,在这一时期,照片根本没有显示任何可见的放电),并最终击中地面,或任何与地面相连的高大物体。他说,其造成的冲击导致闪电出现持续约千分之一秒的可见“回击”(沿着具有高导电性的单重态氧的之字形路线反向传导)。这时候,其他“先导”失去电荷并消失。

洛克说,更好地理解闪电如何劈下来可以帮助建筑物和人们挺过雷暴。例如,相关知识也许可以让人们知道如何在建筑、天线杆和船舶上层等高大物体上安放避雷针。

关于闪电,仍有待回答的问题包括闪电发生的原因。洛克说,尽管科学家现在认为闪电是雷雨云中的冰粒子运动产生的静电,但并不确定。