解開大氣物理謎團，新數學模型解釋積雨雲內部觸發閃電的條件

科學家已充分理解閃電主要放電過程，但未完全釐清閃電「如何開始」，直到最近，賓州州立大學團隊透過數學模型揭開引發閃電的一系列強大連鎖反應，終於知道雷雲中觸發閃電的第一道火花。

雲的類型變化多端，但多數雲（如卷雲、高積雲、層雲）僅是天空點綴，頂多帶來降水，特定類型雲才會產生閃電與雷聲，比如積雨雲。

過去，科學家已充分理解普通雲如何變成雷雲，後者內部劇烈的上升/下降氣流使水滴、冰晶、過冷水滴、冰雹猛烈碰撞、摩擦，導致雲內電荷如何分離，為閃電的出現創造先決條件。

科學家知道閃電是條溫度極高的電漿通道，核心溫度可達 30,000 ℃，比太陽表面熱好幾倍；我們也完全理解雷聲成因：閃電瞬間加熱周圍空氣使其劇烈膨脹產生衝擊波，形成我們聽到的雷聲。

但科學家不懂如何「觸發」閃電，過去測量到的雲中電場強度通常只有所需電場強度十分之一，第一道火花如何在電場不夠強的情況下產生？主要理論有二，一是來自外太空的高能粒子穿過雲層，產生初始電離路徑，像「種子」一樣觸發閃電，二是冰粒微觀尺度上存在比宏觀平均電場強的局部電場，足以觸發初始放電。

用比喻來講，我們就像懂汽車的技師，知道引擎如何運作、可以解釋汽車為何能發動，但不完全確定點燃引擎的那一下火花在最根本層面如何產生。

現在，賓州州立大學團隊透過數學建模首次精確解釋閃電在自然界如何發生：由於雷雲內強電場加速電子，這些電子撞擊氮、氧分子產生 X 射線引發大量電子「雪崩」，電子將能量傳遞到更多電子並釋放高能光子，最終導致閃電產生。

新模擬結果還為雷雲內 X 射線、無線電排放提供完整解釋，以及為什麼有些伽馬射線閃光會從看起來很昏暗的源頭出現，不僅有助我們更理解閃電運作原理，也能改善氣候和天氣預測模型。

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（首圖來源：AI 生成）

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