閃電能量並不如想像的巨大，但它帶給人們的不止是臭氧、氮肥和道友渡劫的傳說，還有氣象學和高能物理領域的一個個驚喜和未解之謎。
作者 | 龍浩（電子科學與技術博士） 李紀爾
6月25日，世界氣象組織（WMO）公布了迄今為止探測到的跨度最長的閃電。它有多長呢？橫向跨度709公裡！相當於從武漢直接閃到了上海。
不過，它並不是發生在我國境內，而是在2018年10月31日發生於巴西南部。WMO同時還公布了持續時間最久的閃電：2019年3月4日阿根廷北部，這道閃電持續了驚人的16.73秒。
橫向跨度最長和持續時間最久的閃電 | Geophysical Research Letters
這些「巨型閃電」的極端數據已超越傳統基站觀測範圍，它們到底是如何測量得到的？閃電的宏大威力中仿佛蘊藏著巨大的能量，這些能量可以為人類所用嗎？科學家們孜孜不倦地完善「人工引雷」試驗，究竟收穫了什麼？
用衛星遙感和「人工引雷」研究閃電
近期全國多地出現了大到暴雨，防禦雷電災害成為了許多地方政府的工作要務。如果能精確觀測並獲取各地雷電信息，對氣候變化研究和防災減災具有重要意義。
觀測雷電，除了眼睛，還有「閃電成像陣列」（LMA）。它們部署於多地地面，利用觀測網絡測定閃電數據。但是，如果遇到大型閃電，它們就力不從心了。
如今衛星遙感技術快速發展，它們直接從更廣闊的高空俯視，可以探測到範圍更廣、時間更長的極端閃電並獲取關鍵數據。最近公布的最長橫跨距離和最長持續時間的巨型閃電，就是被名為GOES-16的地球同步軌道環境衛星觀測到的。
GOES-16地球同步軌道環境衛星（由美國國家海洋與大氣局管理）| Wikipedia.org
隨著這些「高大上」的觀測手段不斷進步，人們對閃電的了解也越發深刻。然而，閃電的發生具有一定的隨機性和不確定性，只是守株待兔般等待，研究效率將十分低下。是否有方法對閃電的發生進行人工幹預呢？有。我國氣象科學研究院連續多年開展了「人工引雷」試驗。這是去年7月的實驗場景，場面酷炫如科幻大片。
我國人工引雷試驗 | 中國氣象局，2019
科學家們先通過閃電產生的條件預測閃電形成區域，然後發射一枚拖拽著金屬絲導線的小火箭，通過金屬絲將閃電引至定點目標物。
引雷試驗成功實現了隨機閃電的定向引導，為閃電這種小概率事件的研究提供了相對穩定可靠的實驗環境。
這樣成熟的引雷技術，目前僅有中國、美國、日本、法國和巴西等少數幾個國家掌握，還有許多國家正在努力研究中。
不過，這也令人好奇：全球科學家們如此執著於人工引雷，是為了收集閃電的能量嗎？閃電供能：現實遠不如理想豐滿
閃電的威力似乎十分巨大，讓人類和動物們避之不及。我們經常會看見樹木或動物被閃電燒焦或擊中死亡的新聞。
2016年，挪威一山莊上大片馴鹿被閃電擊斃 | 來自網絡
如此「巨大」的能量，如果能有效地收集它們，將可能避免區域雷電災害，同時還能作為綠色清潔能源使用，似乎是一箭雙鵰的好事。然而，實際情況可能和預想的不同。
閃電巨大的威力來自於它巨大的電流，峰值時可達幾萬安培（2200瓦的家用大功率電取暖器額定電流也不過10安培）。但是，它持續的時間往往非常短，通常僅有數十微秒（1微秒=0.000001秒）。因此，閃電實際輸送的能量並沒有想像中那麼大。
研究結果顯示，一道典型閃電輸送的能量大約在10億焦耳，看似數值驚人。但事實上，1度電（1kWh）就有360萬焦耳。換算一下，從一道閃電中大約可獲取280度電，相當於閃電電擊一下，僅能充滿（或者報廢）一臺特斯拉電動汽車。
如果按照1度電0.55元計算，一道閃電的價值大約154元！這樣的產能確實不太令人滿意。
儘管單次閃電能量小，但如果閃電總量很大呢？統計數據顯示，全球每年有近14億次閃電發生，但它們分布於世界各地，平均每年每平方公裡閃電超過200次的情況已經是比較少見了，並且其中僅有25%的閃電轟擊大地，其他閃電直接在雲層中釋放。
平均每年每平方公裡的閃電次數（紅/黃色表示閃電高發） | Wikipedia.org
不僅如此，閃電何時何地閃耀於天際也實在難以把握，收集閃電只能是一場佛系的等待。即使幸運地等來了閃電，超大電流和超高溫度的衝擊對電能收集設備也是巨大的考驗，尚不成熟的電能存儲技術也是亟待逾越的阻力。這些困難給原本就十分羸弱的閃電供能雪上加霜。因此，目前從閃電中獲取能量還無法滿足供配電系統「安全、可靠、優質、經濟」的要求，不具備可行性。「人工引雷」並不是為了收集閃電能量。那麼，引雷到底是為了什麼呢？閃電：不斷湧現的驚喜和謎題
科學家們通過各種手段研究閃電，除了開發和測試雷電防護技術外，還承擔著十分重要的科學任務。
我們知道，當暴風雨來臨時，雲與大地存在大量相反電荷。當它們積累到一定程度，就會在雲和大地之間產生極高的電壓。高壓將擊穿本不能導電的空氣，形成一條「等離子體」導電通路。電荷藉由這條通路流過，形成巨大電流，從而產生了「雲-地」閃電。
引雷試驗就是利用小火箭引導金屬絲升空，連接雲層和大地，人為構建一條導電通路，讓電流沿著金屬絲流過，形成人工閃電。
「雲-地」閃電的形成（圖中雲層帶負電，地面帶正電） | http://Wikipedia.org
但是，雲中電荷到底是如何積累的，科學界仍有爭議。
當前公認的一種觀點是：雲層中存在水的各種形態，包括蒸氣、液滴、冰晶和冰水混合物「軟雹」。它們在複雜氣流環境下相互摩擦、撞擊。體積極小的液滴和冰晶（帶正電）上升，又大又重的軟雹（帶負電）下降。因此，雲層下部積累了大量負電荷，這些負電荷會在地面上感應出正電荷，於是雲地間就產生了電壓。
然而，實際的大氣氣流、水的物相、空氣環境等情況以及導電通道建立過程等都遠比理論模型複雜的多，閃電形成的許多細節仍然成迷。
除此之外，發生機率更高的雲層內或不同雲層之間的閃電的成因並不明確；火山噴發、沙塵暴、森林大火、龍捲風等特殊情況下發生的閃電，以及地外行星（木星、土星等）上的閃電也蘊藏著許多不為人知的秘密；劉慈欣筆下的球狀閃電在現實生活中頻頻被人們拍攝到，但仍缺少令人滿意的科學解釋。
許多理論和猜想，都需要更詳細、更精確的觀測數據來驗證或者推翻。
火山閃電和木星閃電，蘊藏大量未知秘密 | http://Wikipedia.org & http://Nasa.gov不僅如此，閃電除了可以發出耀眼的可見光，還會激發肉眼看不到的X射線和伽馬射線（波長極短的高能電磁波）。
物理學家認為，在自然環境下，通常只有劇烈的天體事件（如爆炸的恆星）才能產生伽馬射線。但越來越多的觀測結果表明，閃電發生地附近也有一定概率能探測到伽馬射線。這些伽馬射線和空氣分子相互作用後，能夠製造出放射性同位素和正電子，這些正電子就是神秘的反物質。
閃電仿佛是出現在地球上的天然粒子加速器，製造著一個又一個奇蹟，令人們驚嘆無比。最長和最久的閃電讓我們感受到新型雷電探測技術的進步，引雷試驗讓閃電的人工控制成為可能。儘管閃電能量並不如想像的巨大，但是它帶給人們的，不止是臭氧、氮肥和道友渡劫的傳說，還有氣象學和高能物理領域的一個個驚喜，抑或是更大的謎題。
（責編 高佩雯）參考文獻：
Peterson M J, Lang T J, Bruning E C, et al. New WMOCertified Megaflash Lightning Extremes for Flash Distance (709 km) and Duration(16.73 seconds) recorded from Space. Geophysical Research Letters, 2020, Accepted.https://en.wikipedia.org/wiki/Lightninghttp://www.cma.gov.cn/2011xwzx/2011xqxkj/cxgc/201906/t20190610_526774.html文章由「十點科學」（ID：Science_10）公眾號發布，歡迎轉發朋友圈，轉載請註明出處。