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闪电能量并不如想象的巨大 ， 但它带给人们的不止是臭氧、氮肥和道友渡劫的传说 ， 还有气象学和高能物理领域的一个个惊喜和未解之谜 。
作者 ：龙浩（电子科学与技术博士） 李纪尔
6月25日 ， 世界气象组织（WMO）公布了迄今为止探测到的跨度最长的闪电 。 它有多长呢？横向跨度709公里！相当于从武汉直接闪到了上海 。
不过 ， 它并不是发生在我国境内 ， 而是在2018年10月31日发生于巴西南部 。 WMO同时还公布了持续时间最久的闪电：2019年3月4日阿根廷北部 ， 这道闪电持续了惊人的16.73秒 。
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? 横向跨度最长和持续时间最久的闪电 | Geophysical Research Letters
这些“巨型闪电”的极端数据已超越传统基站观测范围 ， 它们到底是如何测量得到的？闪电的宏大威力中仿佛蕴藏着巨大的能量 ， 这些能量可以为人类所用吗？科学家们孜孜不倦地完善“人工引雷”试验 ， 究竟收获了什么？
卫星遥感和“人工引雷”：闪电研究杀手锏
近期全国多地出现了大到暴雨 ， 防御雷电灾害成为了许多地方政府的工作要务 。 如果能精确观测并获取各地雷电信息 ， 对气候变化研究和防灾减灾具有重要意义 。
观测雷电 ， 除了眼睛 ， 还有“闪电成像阵列”（LMA） 。 它们部署于多地地面 ， 利用观测网络测定闪电数据 。 但是 ， 如果遇到大型闪电 ， 它们就力不从心了 。
如今卫星遥感技术快速发展 ， 它们直接从更广阔的高空俯视 ， 可以探测到范围更广、时间更长的极端闪电并获取关键数据 。 最近公布的最长横跨距离和最长持续时间的巨型闪电 ， 就是被名为GOES-16的地球同步轨道环境卫星观测到的 。
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? GOES-16地球同步轨道环境卫星（由美国国家海洋与大气局管理） | Wikipedia.org
随着这些“高大上”的观测手段不断进步 ， 人们对闪电的了解也越发深刻 。 然而 ， 闪电的发生具有一定的随机性和不确定性 ， 只是守株待兔般等待 ， 研究效率将十分低下 。 是否有方法对闪电的发生进行人工干预呢？
有 。 我国气象科学研究院连续多年开展了“人工引雷”试验 。 这是去年7月的实验场景 ， 场面酷炫如科幻大片 。
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? 我国人工引雷试验 | 中国气象局 ， 2019
科学家们先通过闪电产生的条件预测闪电形成区域 ， 然后发射一枚拖拽着金属丝导线的小火箭 ， 通过金属丝将闪电引至定点目标物 。
引雷试验成功实现了随机闪电的定向引导 ， 为闪电这种小概率事件的研究提供了相对稳定可靠的实验环境 。
这样成熟的引雷技术 ， 目前仅有中国、美国、日本、法国和巴西等少数几个国家掌握 ， 还有许多国家正在努力研究中 。
不过 ， 这也令人好奇：全球科学家们如此执着于人工引雷 ， 是为了收集闪电的能量吗？
闪电供能：现实远不如理想丰满
闪电的威力似乎十分巨大 ， 让人类和动物们避之不及 。 我们经常会看见树木或动物被闪电烧焦或击中死亡的新闻 。
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? 2016年 ， 挪威一山庄上大片驯鹿被闪电击毙 | 来自网络
如此“巨大”的能量 ， 如果能有效地收集它们 ， 将可能避免区域雷电灾害 ， 同时还能作为绿色清洁能源使用 ， 似乎是一箭双雕的好事 。 然而 ， 实际情况可能和预想的不同 。
闪电巨大的威力来自于它巨大的电流 ， 峰值时可达几万安培（2200瓦的家用大功率电取暖器额定电流也不过10安培） 。 但是 ， 它持续的时间往往非常短 ， 通常仅有数十微秒（1微秒=0.000001秒） 。 因此 ， 闪电实际输送的能量并没有想象中那么大 。
研究结果显示 ， 一道典型闪电输送的能量大约在10亿焦耳 ， 看似数值惊人 。 但事实上 ， 1度电（1kWh）就有360万焦耳 。 换算一下 ， 从一道闪电中大约可获取280度电 ， 相当于闪电电击一下 ， 仅能充满（或者报废）一台特斯拉电动汽车 。
如果按照1度电0.55元计算 ， 一道闪电的价值大约154元！这样的产能确实不太令人满意 。
尽管单次闪电能量小 ， 但如果闪电总量很大呢？统计数据显示 ， 全球每年有近14亿次闪电发生 ， 但它们分布于世界各地 ， 平均每年每平方公里闪电超过200次的情况已经是比较少见了 ， 并且其中仅有25%的闪电轰击大地 ， 其他闪电直接在云层中释放 。
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? 平均每年每平方公里的闪电次数（红/黄色表示闪电高发） | Wikipedia.org
不仅如此 ， 闪电何时何地闪耀于天际也实在难以把握 ， 收集闪电只能是一场佛系的等待 。 即使幸运地等来了闪电 ， 超大电流和超高温度的冲击对电能收集设备也是巨大的考验 ， 尚不成熟的电能存储技术也是亟待逾越的阻力 。 这些困难给原本就十分羸弱的闪电供能雪上加霜 。
因此 ， 目前从闪电中获取能量还无法满足供配电系统“安全、可靠、优质、经济”的要求 ， 不具备可行性 。 “人工引雷”并不是为了收集闪电能量 。 那么 ， 引雷到底是为了什么呢？
【雷电|雷电科幻 | 一道闪电究竟有多少度电？】闪电：不断涌现的惊喜和谜题
科学家们通过各种手段研究闪电 ， 除了开发和测试雷电防护技术外 ， 还承担着十分重要的科学任务 。
我们知道 ， 当暴风雨来临时 ， 云与大地存在大量相反电荷 。 当它们积累到一定程度 ， 就会在云和大地之间产生极高的电压 。 高压将击穿本不能导电的空气 ， 形成一条“等离子体”导电通路 。 电荷借由这条通路流过 ， 形成巨大电流 ， 从而产生了“云-地”闪电 。
引雷试验就是利用小火箭引导金属丝升空 ， 连接云层和大地 ， 人为构建一条导电通路 ， 让电流沿着金属丝流过 ， 形成人工闪电 。
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? “云-地”闪电的形成（图中云层带负电 ， 地面带正电） | Wikipedia.org
但是 ， 云中电荷到底是如何积累的 ， 科学界仍有争议 。
当前公认的一种观点是：云层中存在水的各种形态 ， 包括蒸气、液滴、冰晶和冰水混合物“软雹” 。 它们在复杂气流环境下相互摩擦、撞击 。 体积极小的液滴和冰晶（带正电）上升 ， 又大又重的软雹（带负电）下降 。 因此 ， 云层下部积累了大量负电荷 ， 这些负电荷会在地面上感应出正电荷 ， 于是云地间就产生了电压 。
然而 ， 实际的大气气流、水的物相、空气环境等情况以及导电通道建立过程等都远比理论模型复杂的多 ， 闪电形成的许多细节仍然成迷 。
除此之外 ， 发生几率更高的云层内或不同云层之间的闪电的成因并不明确；火山喷发、沙尘暴、森林大火、龙卷风等特殊情况下发生的闪电 ， 以及地外行星（木星、土星等）上的闪电也蕴藏着许多不为人知的秘密；刘慈欣笔下的球状闪电在现实生活中频频被人们拍摄到 ， 但仍缺少令人满意的科学解释 。
许多理论和猜想 ， 都需要更详细、更精确的观测数据来验证或者推翻 。
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? 火山闪电和木星闪电 ， 蕴藏大量未知秘密 | Wikipedia.org & Nasa.gov
不仅如此 ， 闪电除了可以发出耀眼的可见光 ， 还会激发肉眼看不到的X射线和伽马射线（波长极短的高能电磁波） 。
物理学家认为 ， 在自然环境下 ， 通常只有剧烈的天体事件（如爆炸的恒星）才能产生伽马射线 。 但越来越多的观测结果表明 ， 闪电发生地附近也有一定概率能探测到伽马射线 。 这些伽马射线和空气分子相互作用后 ， 能够制造出放射性同位素和正电子 ， 这些正电子就是神秘的反物质 。
闪电仿佛是出现在地球上的天然粒子加速器 ， 制造着一个又一个奇迹 ， 令人们惊叹无比 。
最长和最久的闪电让我们感受到新型雷电探测技术的进步 ， 引雷试验让闪电的人工控制成为可能 。 尽管闪电能量并不如想象的巨大 ， 但是它带给人们的 ， 不止是臭氧、氮肥和道友渡劫的传说 ， 还有气象学和高能物理领域的一个个惊喜 ， 抑或是更大的谜题 。
参考文献：
1. Peterson M J, Lang T J, Bruning E C, et al. New WMOCertified Megaflash Lightning Extremes for Flash Distance (709 km) and Duration(16.73 seconds) recorded from Space. Geophysical Research Letters, 2020, Accepted.
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Lightning
3. http://www.cma.gov.cn/2011xwzx/2011xqxkj/cxgc/201906/t20190610_526774.html
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文章来源 | 十点科学
作者 | 龙浩 李纪尔
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