揭开地球最强无线电波之谜

球状闪电微波理论找到实际依据...

知社去年刊发一篇关于球状闪电的科普文章，其中介绍的新球闪理论[1]认为球闪是闪电导致的极端微波辐射事件。假如该理论成立，考虑到无处不在的无线电探测，一个推论就是人类很可能已经探测到了与球闪同源的微波或无线电波。反过来，如果没有相关探测，新球闪理论成立的可能性就较低。那么，与球闪同源的无线电波现实中真的存在吗？是否已被观测到？如被观测到，其特点又是什么？这些特点能被球闪同源机理解释吗？本文将回答这些问题。

作者：武慧春

浙江大学聚变理论与模拟中心, 浙江大学物理系

2016中国新锐科技人物

图1：国际空间站上宇航员拍摄的夜空闪电 (NASA)

无线电双脉冲

1993年，美国发射了ALEXIS号卫星[2]，其装有一个朝向地面的无线电探测器。升空不久，该卫星就探测到了数百次强无线电波，其功率可轻易超兆瓦，在地球自然环境中是最强的。有趣的是，这些无线电波总包含两个清晰可辨的脉冲信号。

人们很快发现这些无线电双脉冲与另一颗卫星记录的闪电活动存在着必然联系。闪电伴随巨大的放电电流，发出无线电波不足为奇。可是，人们通过地面观测闪电的数十年里，只有两三次同等强度的无线电波观测报道。这说明强无线电双脉冲更容易在太空中被探测到。

为了深入研究这些无线电双脉冲，美国和印度相继于1997和2012年又发射了两颗卫星[3, 4]。新卫星记录下了无线电双脉冲的强度、偏振、相干性、双模性等信息。

流行假说

这些无线电双脉冲是如何产生的？一个当前流行的假说认为雷电云中发生了一种特殊闪电，该闪电放出了一个各向传播的无线电脉冲。直接传输到卫星形成了无线电双脉冲的第一脉冲，第二个脉冲来自地面反射的无线电波“回声”。回声模型计算出的双脉冲间隔与卫星观测大致相符。

然而，这个假说暗示地面和卫星两种观测的可能性应是相同的，这与卫星更易探测的事实相矛盾。另外，最近的高频段数据分析显示所有事件中两个脉冲的内部结构关联度为零。就好比第一个脉冲携带的信息是“121”，其回声听起来却是“咯咯哒”。这是回声模型完全不能解释的。

球闪同源解释

给出新的解释前，需要了解闪电的另一面。英国物理学家威尔逊教授在发明使其获得诺贝尔物理奖的云室后，开展了一些闪电物理研究，他测量了雷电云的电荷结构和单次闪电释放的总电量。1925年，威尔逊教授还提出了一个假说：宇宙射线导致的高能电子会在雷电云内部电场的加速下达到接近光速的相对论能量。随后，人们果然在雷电云中探测到了这些高能电子撞击空气产生的X射线。这些云内X射线可能会对飞机乘客造成不小的辐射危害。

相对而言，没人预言打到地面的闪电会产生X射线。2001年，美国科学家偶然探测到一次地面闪电的X射线事件[5]。地面闪电来自雷电云的下端, 一步一步呈分叉状下行，触及地面后由于短路发出强光和雷鸣。后续发现闪电每一小步都会产生X射线，临近地面的最后几步X射线最强。这些X射线同样来自高能电子，它们也能到相对论能量。

闪电在最后两步产生的两团电子打击地面，就能产生两个无线电脉冲。相对论效应使得无线电波主要朝向天空，更易被卫星探测到。双脉冲间隔 (7-110微秒) 直接等于闪电步间延时 (5-100微秒)。两团电子彼此独立解释了双脉冲的不相关性。另外，无线电双脉冲的强度、偏振、相干性、双模性等特征也首次得到了解释。富兰克林（左）1752年进行了著名的“风筝实验”；阿拉戈（中）1838年最早详细讨论了球闪；威尔逊（右）开启了现代闪电物理研究。

科学意义

新球闪机理成功解释了20多年来3颗卫星的无线电双脉冲数据，揭示了地面闪电产生的高能电子可以打击地面并产生强电磁辐射。这是一个不为人知的新闪电破坏效应，也是球闪微波理论[1]的一个基本假设。

人们在规划无线电双脉冲的一个可能应用[6]。在暴风雨开始前约10分钟或在飓风风力升级阶段，常常伴随着一个闪电频率的陡增。无线电双脉冲更易在太空探测的特点使其可以作为检测闪电的一个重要信号。人们借助GPS卫星就能在全球范围内实时监控和预警暴风雨天气，从而减少生命和财产损失。另外，信号的色散程度 (图2中的曲线曲率) 可以精确计算电离层的等离子体总量。这种闪电辐射机制应在岩石行星中是普适的，将来可能会在类地行星大气层的检测中发挥一些作用。

上述研究是在球状闪电微波理论[1]指引下开展的。该理论是迄今描述球闪形成的唯一定量理论，由于其成功解释了球闪的诸多特征而获得广泛关注和愈多认同。美国球闪研究者斯蒂芬教授评价道[7]: “The relativistic microwave theory of ball lightning recently proposed by Wu accounts for many of the leading characteristics of ball lightning, which most previous theories have failed to do.” 美国新科学杂志Nautilus评论道[8]: “Even today, we don’t have a crystal-clear understanding of how they (球闪) form and do what they do... Chinese scientist H.-C. Wu offered a compelling (令人信服) new explanation.”

为了寻找与球闪同源的无线电信号，需要鉴别不同种类的闪电辐射。令人吃惊的是，这些同源信号真的存在，其特点还能被球闪机理所解释。这为球闪微波理论提供了一个必不可少的实际依据。将来，也许可以利用卫星俘获到概率很小的球闪事件。

该工作发表在美国地球物理学会的Geophysical Research Letters上。请至链接http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2017GL072741/full

相关文献

[1] H.-C. Wu, Relativistic-microwave theory of ball lightning. Sci. Rep. 6, 28263 (2016).

[2] D.N. Holden et al., Satellite observations of trans-ionospheric pulse pairs. Geophys. Res. Lett. 22, 889 (1995).

[3] A.R. Jacobson et al., FORTE observations of lightning radio-frequency signatures: Capabilities and basic results. Radio Sci. 34, 337 (1999).

[4] M.S. Dolgonosov et al., Solitary trans-ionospheric pulse pairs onboard of the microsatellite Chibis-M. Adv. Space Res. 56, 1177 (2015).

[5] C.B. Moore et al., Energetic radiation associated with lightning stepped-leaders. Geophys. Res. Lett. 28, 2141 (2001).

[6] T. Hamlin et al., Space- and ground-based studies of lightning signatures. H. D. Betz et al. (eds.), Lightning: Principles, Instruments and Applications (Springer, Germany, 2009).

[7] K.D. Stephan, Extension of relativistic-microwave theory of ball lightning including long-term losses and stability. Arxiv-1608.00450 (2016).

[8] http://nautil.us/blog/a-new-explanation-for-one-of-the-strangest-occurrences-in-nature-ball-lightning

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