大气高能物理揭示闪电起始机制

摘要：科学家们早已理解闪电如何形成，但雷暴云内部触发闪电的精确大气事件一直是令人困惑的谜团。谜团可能已被解开，这项新的研究来自于美国宾夕法尼亚州立大学（The Pennsylvania State University，简称Penn State，缩写PSU），电气工

科学家们早已理解闪电如何形成，但雷暴云内部触发闪电的精确大气事件一直是令人困惑的谜团。谜团可能已被解开，这项新的研究来自于美国宾夕法尼亚州立大学（The Pennsylvania State University，简称Penn State，缩写PSU），电气工程与计算机科学学院下电气工程系教授Victor Pasko领导的研究团队，该团队揭示了触发闪电的强大链式反应。

在发表于《地球物理研究杂志》（Journal of Geophysical Research）的研究中，研究团队描述了是如何确定雷暴云中的强电场加速了电子。这些电子撞击氮气和氧气等分子，产生X射线并引发大量额外的电子和高能光子——这便是孕育闪电的完美风暴。

Victor Pasko教授表示，研究团队的发现首次为自然界中闪电如何起始提供了精确的、定量的解释。它将X射线、电场和电子雪崩物理学之间的点连接了起来。

该研究深度运用了PSU电气工程与计算机科学学院（School of Electrical Engineering and Computer Science，简称EECS）的核心专业知识。Pasko教授领导的团队专注于气体放电与等离子体研究领域，该方向涵盖：

1.高电压工程与气体放电物理（High-voltage engineering and gas discharge physics）：研究强电场下气体击穿机制；

2.等离子体物理与电磁学（Plasma physics and electromagnetics）：分析带电粒子（电子/离子）在电场中的动力学行为及伴随的辐射现象；

3.计算电动力学建模（Computational electrodynamics modeling）：开发并应用“光电反馈放电”等先进模型模拟复杂物理过程。

这些研究方向是EECS专业课程体系的重要组成部分。EECS下设两个专业系，分别是：

（1）电气工程系（Department of Electrical Engineering）：开设电气工程学士、电气工程硕士、电气工程博士；

（2）计算机科学与工程系（Department of Computer Science and Engineering）：开设计算机科学学士、计算机工程学士、数据科学学士、计算机科学与工程硕士（M.Eng.）、计算机科学与工程硕士（M.S.）、计算机科学与工程博士。

科研团队利用数学模型来确认和解释地球大气中光电现象的实地观测。观测显示，来自外太空进入大气的宇宙射线产生的相对论能量电子，在雷暴电场中倍增并发射短暂的高能光子爆发。这种现象被称为地面伽马射线闪，包含不可见的、自然发生的X射线爆发，以及伴随的无线电辐射。

通过数学模型模拟复现出实地观测到的条件，团队为雷暴云内部存在的X射线和无线电辐射提供了一个完整的解释。研究展示了在雷暴云强电场中加速的电子，如何在撞击氮气和氧气等空气分子时产生X射线，并引发导致电子雪崩，从而产生能引发闪电的高能光子。

Victor Pasko教授团队的研究，解释了光电事件是如何发生的，雷暴云中需要什么条件来引发电子级联，以及是什么导致了我们在闪电发生前在云中观测到的各种无线电信号。

为了确认对闪电起始的解释，PSU电气工程博士生Zaid Pervez利用该模型，将其他研究小组使用地面传感器、卫星和高空间谍飞机收集的实地观测数据，与模拟雷暴云中的条件进行匹配。Zaid Pervez将结果与先前的模型、观测研究，以及自己对一种称为“紧凑云间放电”（compact intercloud discharges）的闪电的研究进行了比较。