宇宙閃電：LOFAR已被用來研究雷雲

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關於產生電場的新的實時資訊可以從宇宙射線雨透過雷暴時形成的無線電波中獲得。這是一個國際物理學家小組研究了射電望遠鏡在電暴期間記錄的資料後得出的結論。研究團隊看到了帶電粒子產生的無線電發射的變化，計算機模型表明這是由於雷雲中強電場的偏轉所致。

據衛星成像顯示，全世界每秒鐘大約有40次閃電。雖然大部分是無害的，但是雷擊會損壞建築物，甚至會殺死人。如果我們知道閃電將在哪裡和在什麼時候產生雷擊，那麼其中一些破壞可以減輕，但是這樣的預測是困難的，因為我們對閃電是如何產生的知之甚少

。雷暴的發展迅速且不可預測，因此使用火箭或氣球上的儀器測量閃電放電之前在雷雲中形成的巨大電場是很困難的。

“太空淋浴”

這項新的研究採取了不同的方針，並研究了高能宇宙粒子與大氣中的原子核碰撞所產生的粒子淋浴，並使粒子淋浴落向地球。其中許多粒子是帶電的，因此會被地球磁場偏轉。這種偏轉導致粒子反射無線電波，射電望遠鏡可以檢測到這種無線電波。

根據荷蘭Radboud大學Heino Falcke和他的同事們在2010年進行的計算，這些無線電波的極化和強度都會改變，在10kv/m以上的電場梯度下是可測量的，而這個數值則是在一朵雷雲中發現的一個典型值。

雖然這些計算主要是為了幫助天體物理學家過濾掉電場對宇宙射線無線電研究的影響，但是Falcke和他的同事們現在已經加入到地球物理學家和天體物理學家行列第一次使用射電望遠鏡測量了雷雲中的電場。

基於Radboud的天體物理學家Pim Schellart的領導，這個團隊對2011-2014年荷蘭低頻陣列射電望遠鏡採集的資料進行了篩選。在這一段時間裡，望遠鏡發現了762個空氣陣雨，但只要大約60個陣雨的發生不能單獨用磁場偏轉來解釋。

“丟棄事件”

把這些描述為丟棄事件，它們通常不會被分析，因為太雜亂了。荷蘭皇家氣象學會的記錄顯示，在31次的異常陣雨中有20次在2小時和150公里的範圍內發生了雷擊，這使Schellart和他的同事們能夠去辯論剩下的11個事件可能對應於大氣電場，該電場不能導致所被記錄的雷擊。

然後，研究團隊使用計算機模擬分析了其中一個閃電事件的望遠鏡資料。他們的模型表明無線電波是在雷雲中產生的，雷雲是從地面3公里延伸到最高8公里的高度，這兩個都是雷雲的合理值。雲有可能延伸到8公里以外，但如果超過這個高度，帶電粒子就會減少，因為淋浴不會完全發展。

“梯度等級”

雲頂電場梯度為50kv/m，下游電場梯度為27kv/m，這也是雷雲的典型值。有趣的是，研究人員發現，將模型中的電場強度提高到50kv/m，導致預測的無線電波強度變化很小，這個影響是他們現在正在研究和調查的。Schellart說：“無線電發射的變化給了我們很多關於雷暴中電場的資訊，我們甚至可以確定雲中某一高度的電場強度。”他的團隊還在LOFAR安裝了一個電場計，以進一步瞭解與記錄的雷擊不對應的異常事件。他們的技術甚至可以用來觀察宇宙射線陣雨是否會在帶電粒子穿過雷雲時觸發閃電—這是Aleksandr Gurevich在莫斯科列別捷夫物理研究所首次提出來的。他還可以幫助物理學家理解為什麼雷雲有時會發出伽馬射線的閃光，是一種被認為涉及雷雲電場加速由宇宙射線淋浴產生的電子的現象。

作者： Hamish Johnston

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