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宇宙射线揭示闪电秘密
所属栏目:学术动态 来源:物电学院  作者:editor1  时间:2015/5/7 12:52:32 访问量:425

       尽管本杰明·富兰克林用风筝和钥匙尽了最大的努力,但闪电现象仍然是一个科学之谜。如今,研究人员已经开发出了一种新工具,可以帮助他们解决一些闪电的奥秘。

  科学家通常都希望在好天气中使用射电天文望远镜,除了天体物理学家Heino Falcke——他就喜欢被雷暴雨包围的感觉。

  通过用射电天文台监测由宇宙射线导致的电磁脉冲,Falcke和他的同事已经能够测量雷暴云中的电场强度。

  虽然科学家之前利用探空火箭或气球测量过类似的电场,但Falcke的新技术为分析闪电的起源以及验证宇宙射线本身是否触发了闪电提供了一个更好的工具。

  这项研究提供了科学家期待已久的一座射电天文台能够被用来探测雷暴云的证据。美国达拉莫市新罕布什尔大学大气物理学家Joseph Dwyer表示:“这篇论文是开创性的,因为它证明了这一想法实际上能够实现。”

  研究人员在最新出版的《物理评论快报》上报告了这一研究成果。

  Falcke在荷兰奈梅亨大学领导着一个低频阵列(LOFAR),后者是分布在欧洲5个国家的一个无线电天线和粒子探测器网络。建造LOFAR的初衷是将其作为一种多用途的工具,研究的范围从无线电波到遥远的宇宙现象,还有那些由宇宙射线撞击地球大气层所产生的现象。

  当一个高能宇宙射线粒子——通常是一个质子或更重的原子核——与一个空气分子发生碰撞后,它会触发一个链式反应,导致无数的带电粒子(其中大部分是电子)像雨点一般砸向地面。在这些带电粒子下落的过程中,LOFAR的天线会探测到它们释放出的无线电波,这在很大程度上是这些带电粒子与地球磁场交互作用产生的结果。

  利用LOFAR的核心——位于荷兰Exloo镇附近的一个6平方公里的装置——以及网络中密集的天线,研究团队测量了发生在2011年6月至2014年9月之间的762场最高能的阵雨。

  在好天气时,无线电波会有规律地下降。这项研究的第一作者、射电天文学家Pim Schellart表示,它们的偏振态整齐一致,与研究人员使用计算机模型预测的模拟结果相匹配。

  但Schellart指出,有时候,这些模式是杂乱的,这通常发生在当一个雷暴云在附近徘徊时。研究人员并没有丢弃这些不规则的数据,相反,他们重新设计了自己的模型,包括通常在雷暴云中形成的更加强烈的电场。研究人员报告说,当他们利用这些新模型重新计算偏振态后,这种杂乱的模式与新的模拟结果很匹配。

  关于雷暴云中电场的测量结果将有助于解决大气科学中的一个最大的开放式问题。

  闪电是在一个云团的不同层位或云团与地面之间的一个电传导通道,它能够在大气层中短暂地打开,并部分恢复电荷平衡。然而迄今为止,科学家一直没有搞清到底是什么触发了闪电。电场是很强大,但其自身尚不足以把空气从一个电绝缘体转变为一个导体。

  之前曾有研究人员提出,宇宙射线是一个触发器。科学家希望LOFAR能够测试到宇宙射线是否在形成一道闪电的同时出现了降低。

  当然,精密仪器如果被闪电击中也会遭到破坏。“按照科学的方法,你会希望一道闪电正好击中LOFAR的正中间。”Falcke说,“但作为一名射电天文学家,你又会希望这一切不要发生。”

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