兴奋的分子解释了闪电的神秘之字形模式

雷击被认为在世界范围内每秒发生近50次，但关于这些令人难以置信的高能闪光，我们仍有很多东西需要了解。一个特别长期存在的谜团是为什么闪电在天空中闪过时呈锯齿形，澳大利亚的科学家现在已经提出了一种解释，将其归因于电子和分子之间的碰撞，这些碰撞会产生一系列所谓的“台阶”。

在过去五年左右的时间里，我们看到研究人员对雷击科学有了一些有趣的见解。这包括发现通过这些事件产生的伽马射线可以在空气中产生反物质，证明它们的电磁场可以对活细胞产生保护作用的证据，以及令人惊叹的闪电分支从云层中断裂的高速摄像机镜头。

尽管我们对这些天气事件的了解不断提高，但雷击的物理原理以及支撑它们的事件顺序仍不清楚。半个世纪以来，为什么闪电从云层中发出并沿着曲折的路径向下落向地球，这个问题一直困扰着科学家们，但是来自南澳大利亚大学的等离子体物理学家JohnLowke博士现在提出了所谓的明确解释。

“有几本关于闪电的教科书，但都没有解释锯齿形(称为阶梯)是如何形成的，为什么连接阶梯和云层的导电柱保持黑暗，以及闪电如何传播数公里，”Lowke说。

当闪电从雷云中出现时，它的步长约为50米(164英尺)。它们明亮地闪烁了几分之一秒，然后又变暗了几分之一秒，然后又形成了一个台阶，并在同一时间的微小时刻明亮地闪烁。这些步骤一个接一个地重复，直到闪电到达地球，虽然肉眼基本上看不见，但高速摄影使科学家们能够记录下这种戏剧性的菊花链放电。

但为什么这些步骤会以它们的方式形成，当闪电在途中经历短暂的黑暗时刻时，怎么会有持续的电连接呢?在新发表的研究中，Lowke和他的同事EndreSzili将这种效应归因于所谓的单线态-δ亚稳态氧分子。这些高能分子是在电子与氧分子碰撞时产生的，导致它们分离并重新分布电场。

其结果是创建了一个导电柱，它在台阶开辟一条通往地面的路径时保持与云的连接，即使在罢工变暗时也是如此。这是由于氧分子的兴奋迫使它们进入“亚稳态”状态，当其数量足够多时，可以使空气导电。

“因此，当产生足够多的亚稳态以分离大量电子时，就会发生闪电步骤，”Lowke在TheConversation的随附文章中写道。“在一步的黑暗部分，亚稳态和电子的密度正在增加。百万分之50秒后，台阶可以导电——台阶尖端的电势增加到大约云的电势，并产生进一步的台阶。”

据科学家称，更好地了解雷击可以为建筑物、飞机和人员采取更好的保护措施。博学者本杰明富兰克林于1752年发明的避雷针仍然是我们在这方面的主要措施，其工作原理是吸引闪电并将其电荷接地。固定在建筑物的顶部，这可以保护结构免受损坏，但更好地了解雷击是如何形成的可能会导致新的工具来保护建筑环境。

“我们需要了解闪电是如何产生的，这样我们才能弄清楚如何更好地保护建筑物、飞机、摩天大楼、有价值的教堂和人们，”Lowke博士说。