賈煥玉

西南交通大學現代物理研究所

某個炎熱夏日午後，天空烏雲密布，一場雷暴天氣襲擊了上海外灘，轟隆隆的雷聲不絕于耳，還不時看到耀眼的閃電。圖1照片中拍下的正是這次雷暴天氣中上海東方明珠塔上出現的閃電。

圖1 上海出現雷暴天氣，東方明珠上空現閃電

(圖片來自百度百科)

雷暴是自然界最為壯觀和重要的大氣現象之一，常發生于熱帶和溫帶地區的春季和夏季午後。雷暴天氣發生時可伴随有雷擊、閃電、強風和強降水。雷暴天氣從雷暴雲的出現到消失，有很強的局地性和突發性，空間水平範圍從幾千米到上百千米，在時間上持續幾十分鐘到數小時，有些可以持續十幾小時。

強雷暴天氣引起的災害是世界十大自然災害之一，具有巨大破壞性。中國每年因閃電傷亡的人數達上千人，世界森林火災有很大一部分是由閃電引起的，受災行業涉及航天航空、國防、通訊、計算機、電力輸送、電子工業、石油化工、礦山、鐵路幹線、建築等很多部門。

實際上對雷暴這種自然現象的記錄可以追溯至人類文明的早期。中國古代、古羅馬和美洲古文明都有關于雷暴的神話。

01

雷暴雲和閃電

1752 年，美國科學家本傑明·富蘭克林做了關于閃電的實驗，即風筝實驗，對閃電進行了深入研究，揭示了天上的閃電與人工摩擦産生的電具有完全相同的性質。此後閃電一直受到人們的廣泛關注，是大氣科學的重要研究對象。随着對雷暴探測技術的不斷改進和提高，科學家們開展了大量研究，對雷暴閃電的形成機制、活動規律等有了深入了解。

圖2 風筝實驗(圖片來自百度百科)

雷暴，是由于空氣對流運動造成絕熱冷卻，使空氣中水汽飽和凝結而成的形狀如同底平頂突的饅頭的濃厚雲體。雲開始形成時，雲中帶電粒子混亂分布，雲整體上呈電中性。随着雲的發展，雲中帶電粒子發展為有序的空間分布，在雲内形成正負電荷中心，正負電荷産生的電場強度也逐漸增強。到雷暴階段時，雲内形成很強的正負電荷中心，電場變為強電場，電場強度可達80~280 kV/m。

1.1

雷暴雲電荷結構

雷暴雲帶有電荷，其電荷分布結構很複雜，與氣象和地形條件有關，不同季節、地區的雷暴雲電荷結構也不完全一樣，同一次雷暴過程中的不同階段電荷結構也不一樣，上升氣流區和下沉氣流區中的也不一樣。

20 世紀初，現代雷暴電學領域兩位奠基人威爾遜和辛普森分别利用不同的探測手段，開始對雷暴雲電荷結構進行研究。威爾遜第一個利用靜電場測量來推斷雷暴雲内電荷結構與閃電中電荷量，而辛普森及其同事們開展的雲内電場探空則提供了雷暴雲電荷結構的直接科學證據。

雷暴雲電荷結構大緻可以分為偶極性結構和三極性結構，還有多極性結構以及反極性結構和傾斜式結構等。偶極性結構是指雷暴雲内空間電荷結構是垂直偶極性的，上部荷正電荷，下部荷負電荷。辛普森等提出的雷暴雲的三極性電荷結構是指，地表7千米高度以上、溫度低于-20℃左右的區域有一個電荷量為 24 庫侖的正電荷區，2~7 千米高度、溫度低于-7℃左右的區域有一個電荷量為-20庫侖的負電荷區，在 2 千米高度以下、溫度高于 0℃附近還有一個電荷量為4庫侖的次正電荷區。三極性電荷結構如圖3所示。盡管近年來的電場探空表明，雷暴雲内的電荷結構較三極性電荷結構可能要複雜得多，但是，時至今日，在很多情況下，單體雷暴雲中的主要電荷區域仍常用經典三極性電荷結構來代表。

圖3 雷暴雲電荷分布與閃電示意圖(圖片來自王俊芳報告)

1.2

雷暴雲起電機制

為了解釋雷暴雲内電荷的産生和分布，人們很早就開始了雲内起電機制研究，并提出了多種起電機制。這些起電機制可以分為微觀起電或粒子起電和宏觀起電機制。雲内有各種不同尺度及不同相态的水成物粒子(霰、雹、雪花、雨滴、冰晶等)，這些粒子間發生相互作用從而起電，這稱為微觀起電。另外雲内存在大尺度強上升氣流，考慮雷暴雲内的對流、傳導、離子擴散和湍流擴散等過程産生雲不同部位荷電不同極性電荷，這稱為宏觀起電。實驗室内各種試驗和野外觀測以及數值模拟試驗結果認為，非感應起電、感應起電、次生冰晶起電等微觀起電機制和離子擴散起電、離子電導捕獲和對流起電等宏觀起電機制是重要的雷暴雲起電機制。

非感應起電機制被認為是最重要的起電機制，研究發現，大(霰粒或軟雹)小(冰晶)冰相粒子之間在碰撞、彈開的過程中，在兩個粒子之間發生電荷轉移。在合适的溫度和液态水含量時，霰粒帶負電，冰晶帶正電。在流場和重力作用下，大、小粒子宏觀上分層分布，使雷暴雲呈現上正下負的電荷分布。

感應起電機制如圖 4 所示，在電離層形成的外電場的作用下，大雨滴和小雲滴被極化，如果電場垂直向下，則雨滴和雲滴上半部極化為負電，下半部極化為正電。大雨滴向下運動過程中，與向上運動的小雲滴相遇發生碰撞，交換電量，荷正電荷的雲滴向雲的上部運動，荷負電荷的雨滴向雲的下部運動，從而形成雲中上部為正、下部為負的電荷中心。

圖4 雷暴雲感應起電機制示意圖

離子擴散起電是指，上述感應起電機制中所說的極化水成物粒子降落速度以及正負離子遷移率的差别，通過電導吸附将使水成物粒子荷電的過程。

雷暴雲中的電荷起電機制，也就是雲中正負電荷分離為不同極性荷電區的形成機制較為複雜。可能是一種起電機制起作用，也可能是多種起電機制綜合起作用。在多種起電機制綜合作用下，也可能是一種或幾種起電機制為主，其他起電機制為輔。

1.3

雷暴雲中的閃電

随着雷暴雲中正負電荷的不斷積累，當雲内局部電場強度可以擊穿空氣(一般為 2500~3000 千伏每米(kV/m))時，便會激發閃電的發生。閃電就是雷暴雲中不同符号荷電中心間發生的放電過程。放電過程中，閃道中的溫度驟增，使空氣體積急劇膨脹，從而産生沖擊波，導緻強烈的雷鳴。根據閃電部位，閃電可分為雲閃和地閃兩大類。如圖3所示，雲閃是指不與大地和地面物體發生接觸的閃電，包括雲内閃電、雲間閃電和雲空閃電。地閃是指雲内荷電中心與大地和地面物體之間的放電過程。

閃電産生強電流，引起強電磁輻射和靜電場的變化。閃電具有持續時間短(10~1 秒)、發展速度快(10~10米每秒)、空間尺度跨度大(從分子尺度到米量級再到幾十上百千米)等特點。

20 世紀 90 年代，人們利用飛機、氣球和衛星等搭載的探測器發現了在雷暴雲内和雷暴雲頂存在着的比可見光子能量更高的高能光子輻射現象，比如地球伽馬閃(TGF)。後來利用地面和高山上的探測器也發現了由雷電過程直接産生的高能光子輻射。

這些有趣的新現象和新進展，進一步引起了物理學、大氣科學、空間物理、天體物理等學科交叉研究的興趣。其中宇宙線與大氣電場、雷暴閃電觸發等的關系是宇宙線研究學者關注的一個重要領域。

02

宇宙線

宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子流，其發現就來自于對地球大氣電離現象的研究。人們很早就發現空氣中存在着電離現象，并認為這種電離是地面輻射造成的，而且輻射越強，空氣電離度就越高。空氣電離度可以用電離室來進行測定。1911年開始，氣球飛行業餘愛好者，奧地利物理學家赫斯 (圖 5)将電離室吊在氣球下，飛離地面，來測量空氣電離度随着距離地面高度的變化，結果顯示在海拔 5000 米的高空，造成空氣電離的輻射強度竟然是地面的9倍。由于白天和夜間測量結果相同，因此赫斯斷定這種造成空氣電離的輻射射線不是來源于太陽的照射，而是來自于宇宙空間。最初，這種輻射被稱為“赫斯輻射”，後來被正式命名為“宇宙射線”，簡稱為宇宙線。現在我們把宇宙線認為是來自宇宙空間的高能粒子流的總稱，是地球環境背景輻射的組成部分。這裡所說的背景輻射是指我們生活的地球環境中廣泛存在着的輻射，除了宇宙線外，還包括地表輻射和人體内輻射等。

圖5 宇宙線的發現者赫斯

宇宙線主要由質子、氦核等原子核組成，也含有少量電子和中性的伽馬射線。盡管在太陽和星際空間也可能産生這些粒子，但其主要來自于銀河系或銀河系外。它們在星系際和太陽系空間傳播，最後到達地球。宇宙線粒子的能量可以超過10電子伏特(eV,1 電子伏特等于 1.6×10焦耳)，遠超過地球上的粒子加速器可以達到的能量(10eV)。從宇宙線研究中，人們發現了正電子、缪子和π介子等，開創了粒子物理這門學科。宇宙線研究一直也是天體物理學的重要領域。

在宇宙線研究中，我們把進入地球大氣前的宇宙線粒子稱為原初宇宙線。原初宇宙線粒子進入地球大氣後，與大氣中的氧、氮等原子核發生碰撞，并轉化生成次級宇宙線粒子，而高能宇宙線的次級粒子又将有足夠能量産生下一代粒子，如此下去，一級一級地産生轉化，将會産生一個龐大的粒子群。這種大範圍空氣簇射現象稱為宇宙線廣延大氣簇射(EAS)，法國人奧吉爾 1938年在阿爾卑斯山觀測時首先發現了這一現象。這些 EAS 次級粒子組成一個粒子盤以光速飛向地面。EAS次級粒子主要由帶電的電子、缪子、強子以及不帶電的光子、中子和中微子等組成。利用地面上大範圍探測器來記錄EAS粒子，可以對原初宇宙線以及宇宙線粒子與空氣相互作用過程進行研究。

圖6 宇宙線廣延空氣簇射現象示意圖(圖片來自百度圖片)

03

宇宙線與雷暴閃電的關聯

随着人類科學技術的進步和發展，宇宙線對人類現代通訊和航空航天等活動的影響日益增加。宇宙線還存在對地球大氣過程和天氣的作用。宇宙線帶給地球的能量與天氣過程能量相比可以忽略，但宇宙線具有使空氣電離的能力，因此進入地球環境中的宇宙線由于受到太陽活動的調制強度發生變化，可能導緻地球天氣和氣候的變化，這或許是令全世界關注的地球氣候變化問題的原因或部分原因。人們對這一重大問題進行了許多研究、讨論和争論，現在仍然存在着很大分歧。

3.1

宇宙線與大氣電場的關聯

宇宙線和太陽紫外線及地面輻射使大氣電離，形成大氣電離層。大氣電離層處于高度50到1000km 的區域，相對于地面維持着一個約 250 k V 的電壓，形成了晴天大氣電場。在地球平坦地面附近，晴天大氣電場強度約為100~200伏每米(V/m)，指向地面。各地大氣電場的實際數值取決于當地的條件，如大氣中的塵埃、地貌以及季節和時間等。大氣電場變化可以提供天氣變化和環境變化的重要信息，是一個重要的氣象參量。雷暴雲内探測到的電場強度80~280 kV/m，小于空氣擊穿電場的阈值2500~3000 kV/m，也就是說雷暴雲内部一直未能找到一個足夠強的電場能自然激發閃電。閃電始發機制一直長期被關注，但還沒有被充分理解和認識。

自 1924 年 Wilson 首次指出雷暴雲中的強電場可以把宇宙線次級粒子中質量很小的電子加速到很高的能量，并提出“逃逸電子”的概念以來，這種發生于雷暴雲内的高能現象就成了大氣物理學中的研究熱點。1992 年 Alex VGurevich 等提出一種新的宇宙線引發閃電的理論。認為宇宙線次級粒子中能量約 1 兆電子伏特(MeV,10eV)的電子可被雷暴電場加速，當獲得足夠高的能量時，會使空氣分子電離産生新的電子，新産生的自由電子又被電場加速，從而發生雪崩效應，使得電子數目呈指數增長。通過這種相對論電子逃逸雪崩(RREA)過程來增加帶電粒子的數量，從而觸發閃電的大規模能量釋放。也就是說宇宙線的廣延大氣簇射是引發閃電的催化劑。多年來，很多科學家試圖通過衛星實驗去探測來自地球的伽馬射線閃現象(TGFs)、通過地面宇宙線觀測實驗去尋找雷暴期間地面宇宙線次級粒子突然增強的現象(TGEs)，進而探尋雷暴電場加速宇宙線産生的高能粒子。如圖7所示。

圖7 雷暴閃電與宇宙線EAS次級粒子聯系示意圖

盡管目前已确信導緻閃電的原因是某種逃逸崩潰，也有一定的間接證據表明這種逃逸崩潰可能由在雲層之上的宇宙線引起，但還不能肯定逃逸崩潰都是由宇宙線引起的。對宇宙線強度和雷暴大氣電場變化間的關聯進行直接測量和分析研究，對上述問題的解決至關重要。另一方面雷暴雲中的大氣電場對宇宙線空氣簇射的發展過程有何影響，也是宇宙線物理地面觀測研究中特别關注的問題。宇宙線與大氣電場間的關聯研究也可以提供宇宙線粒子與大氣相互作用、在大氣中傳播過程的重要信息。

總之，宇宙線與大氣電場間的關聯，特别是宇宙線流強有較大變化期間和雷暴期間二者的關聯是一個重要的、有理論和實際意義的交叉學科前沿問題。

3.2

宇宙線與雷暴閃電關聯研究進展

大氣電場特别是雷暴雲大氣電場可以加速或者減速帶電的 EAS 次級粒子從而改變 EAS 事例的大小，因此，地面探測的宇宙線計數率将會随着大氣電場而變化。另一方面 EAS 次級粒子在雷暴雲中也會輻射産生新的更多的次級粒子，有可能觸發閃電。閃電必須形成一條穿透雲層的導電通道，人們至今仍不清楚，宇宙線誘發的逃逸崩潰所産生的大規模擴散放電，如何形成這樣一條狹窄的高溫通道。這也成為世界上各個研究組開展研究的重點和熱點。Alexeyenko 等人于 1985 年第一次通過地面探測實驗發現了雷暴期間地面探測的次級宇宙線強度變化。EAS-TOP 實驗也記錄到了雷暴期間EAS 計數率 10%~15%的變化，而且把這種變化解釋為強電場對 EAS 次級粒子的加速結果；Khaerdinov 等發現閃電前 EAS 次級粒子強度顯著增強，并理解為發生了強電場中的逃逸電子；Buitink等模拟計算了大氣電場對宇宙線次級粒子的影響，發現當電場大于一定阈值時可能出現逃逸電子崩潰。

中國科研人員早在20世紀80年代末就開始在西藏羊八井建設宇宙線地面觀測站，研究宇宙線的起源等宇宙線物理中的基本問題。

位于地球低緯度的西藏羊八井宇宙線觀測站是世界著名的宇宙線觀測站，對宇宙線的觀測具有獨特的地理優勢，可以很好地監測宇宙線強度的變化。其中中意合作 ARGO-YBJ 實驗作為世界上大面積全覆蓋地面EAS觀測實驗，積累了大量宇宙線數據和部分大氣電場數據。利用這些數據，科學家們也開展了宇宙線物理與大氣科學交叉問題研究。

圖8 西藏羊八井宇宙線觀測站

左邊為中日合作ASγ實驗，右側大廳為中意合作ARGO實驗

2008 年 8 月起，郄秀書團隊在羊八井宇宙線觀測站内開始記錄測量雷暴電場、晴天大氣電場和閃電，結果顯示，羊八井地區雷暴雲主要是三層電荷結構，下部正電荷層較大；羊八井地區閃電活動發生在5~9月份，閃電個數7、8月份最多，閃電大多發生在一天的午後至半夜，17:00~19:00 閃電最多，地閃峰值滞後一些；正地閃很少，負地閃主要發生在雷暴雲的耗散階段，這裡的正地閃是指雲中的正電荷對地放電形成的地閃，而負地閃指雲中的負電荷對地放電；羊八井宇宙線觀測站中子堆探測器記錄的宇宙線計數率在雷暴期間有明顯變化。

西南交通大學宇宙線研究組研究了 2011 年和2012 年夏季雷暴期間，西藏羊八井宇宙線觀測站ARGO-YBJ 實驗測量到的 EAS 次級粒子計數率變化情況。結果顯示，雷暴期間，大氣電場劇烈變化，宇宙線廣延空氣簇射(EAS)次級粒子計數率也有顯著的變化。為了理解觀測到的實驗現象，對宇宙線粒子在空氣中的相互作用和傳播過程進行了全蒙特卡羅模拟計算。模拟計算結果合理地解釋了上述觀測現象。

04

總結展望

總之，宇宙線與雷暴閃電的關聯是一個重要的、有理論和實際意義的不斷發展的前沿交叉學科領域。

位于中國四川稻城的高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)(海拔 4400 米)是國家重大科技基礎設施，該實驗采用多種手段，對進入大氣層的宇宙線粒子進行複合、精确測量，主要有1平方千米的閃爍體加地下缪子探測器(KM2A)、9萬平方米的水切倫科夫探測器陣列(WCDA)和 18 台廣角大氣切倫科夫望遠鏡陣列(WFCTA)組成，實驗效果圖如圖9所示。2021年全部實 驗設備安裝完成并全面運行，圖 10 為LHAASO 實驗俯瞰照片。

圖9 LHAASO實驗效果圖

圖10 高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)

2021 年，邊建設邊運行的 LHAASO 就取得了重大科研成果，發現首批“拍電子伏(PeV,10eV)加速器”和最高能量光子，開啟“超高能伽馬天文學”時代。這也充分展示了LHAASO的先進性和實驗的靈敏度，以及擁有的低阈能、大有效面積、大視場和全天候等優勢。LHAASO實驗站場内，還安裝有雲量儀、大氣電場儀、閃電光學觀測和射頻三維成像儀等，通過多手段同步觀測雷暴閃電，探究高原閃電和雷暴電荷結構特征與機理，與高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)對高能宇宙線粒子的複合觀測相結合，對雷暴閃電過程相關的宇宙線高能粒子規律進行細緻研究，有望取得突破性的進展。

本文選自《現代物理知識》2022年第2期 YWA編輯

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不代表中科院物理所立場

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來源：現代物理知識雜志

編輯：雲開葉落

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