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閃電裡的秘密
A BOLT OUT OF THE BLUE
【摘 自】科學人雜誌2005年6月號
【中文章名】閃電裡的秘密
【外文章名】A BOLT OUT OF THE BLUE
【作 者】杜葉 ( Joseph R. Dwyer )
【譯 者】張雨青
知識分類：地球科學、物理、天文
閃電會產生大量的Χ射線。從雷雨雲觀測到的巨大輻射爆發，竟是γ射線，能量是Χ射線的40倍。
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閃電劃過天際，會放出25萬電伏特的能量。這麼高的能量從何而來？
閃電是惡劣天候之下，格外令人不安的現象。它在美國境內所造成的傷亡，更甚於颶風或龍捲風。閃電的來襲毫無預警，有時頭頂除了一片萬里晴空外，什麼也沒有。我所居住的美國弗羅里達州中部，雷暴在夏季是家常便飯。因此，「陽光之州」的居民，常得窩在家中打發午後時光，以躲避從天而降的致命一擊，還真是諷刺呢！
全球各地每天約發生400萬次閃電，在其他行星上也觀測得到雷電。不過，縱然我們與閃電關係密切，但是對其成因卻依舊毫無概念。許多人都誤以為，閃電之謎已於1752年由富蘭克林用家喻戶曉的風箏實驗解開了。
富蘭克林雖然證明了閃電是一種電學現象，但科學家迄今卻還在努力鑽研雷暴如何產生電荷，以及閃電如何發生。有些物理學家假定，閃電可能其實和外太空脫不了干係，與在大氣中引發高速電子流的宇宙射線（從太空轟向地球的高能粒子）有關。
研究人員最近發現了一種研究閃電的新方法：測定閃電自雲端直擊地面時所放射的X射線。過去幾年來，我們的團隊已測得來自於自然閃電，以及雷暴期間發射火箭所激發人造閃電時產生的X射線。由結果可看出，閃電可能藉由迸射出高速電子，劃出一道道鋸齒狀的導電通道。然而，閃電如何使這些電子加速，卻極為令人費解。為了解開這個謎，我們正於弗羅里達州建立一處X射線探測器陣列。
比靜電火花更奇特
從某些方面看來，閃電像個大型的靜電火花。想像一下你在走過一片地毯後，觸摸門把時所產生的那種普通靜電火花。當你踏過地毯，鞋子會摩擦出電子，身體便累積電荷，電荷在你和房內其他物品之間產生電場。對微弱的電場而言，空氣是優良的絕緣體（電子附著到氧原子上的速度，大於受衝撞而游離的速度），並不會有可觀的電流流通。然而，手指接近門把之際，電場會局部增強。一旦達到每公尺約300萬伏特這個臨界值（稱為崩潰電場），空氣即成為導體並開始放電──電流連繫了空氣的間隙。
雷暴的帶電與摩擦地毯放電的例子有部份雷同。地毯上鞋子的這個角色，在雷暴內部很可能是由那些穿過冰晶與水滴而落下的軟雹（霰）擔綱，而精確的機制仍眾說紛紜。這些粒子相互碰撞時，會摩擦出電子而帶電。正負電荷受上升氣流與重力的影響而分離，產生電場。不過，我們若嘗試以門把這個角色進一步類比，就會碰上一個大問題：數十年來，由氣球、飛行器與火箭進入雲層內直接測量的結果，鮮少發現每公尺20萬伏特以上的電場。這麼弱的電場，不足以像我們碰觸門把時那樣使空氣導電。
直到最近，科學家已鎖定兩種解釋來解開這個難題。第一種可能是，雷暴內部確實存在著更強的電場，只是局限於相當小的範圍內，以致難以量測。這樣的說法雖然在觀測上無法完全排除，卻也令人不盡滿意，因為這不過是用另一個問題取代原有的問題罷了：雲層如何在這麼小的範圍內形成強大的電場？第二種解釋得自於實驗結果，當雨滴或冰粒釋放到空氣中時，引發放電所需要的電場會大幅削弱。遺憾的是，雨或冰的加入，僅解決了部份矛盾，雷暴中的電場顯然還是太弱，無法產生一般的放電現象。
科學家也不確定閃電如何能在空中傳送數公里。這個過程起於「導閃」（leader）的形成，導閃為一炙熱的通道，能游離空氣並將電荷做長距離傳輸（見右頁〈閃電，稍縱即逝！〉）。有趣的是，導閃並非是連續的，而是循著一連串斷斷續續的軌跡擊向地面。然而，這一切究竟如何發生，則帶有幾分神秘。為了模擬這些過程，研究者所做的努力仍未竟全功，這些難題已令許多領域中的科學家，包括我在內，懷疑是否錯失了某些重要的線索。例如，將閃電完全視為像門把上的靜電火花一般普通的放電現象，或許並不正確。結果我們發現另一種更不尋常的放電型態：逃逸崩潰（runaway breakdown）。
一般的放電中，所有的電子因為與空氣分子持續碰撞而受阻，因此移動較為緩慢。碰撞會產生有效阻力，就像開車時將手伸出車窗的感受：阻力隨車速增加而變大，車速減慢即變小。但如果電子的速度夠高（至少每秒600萬公尺，約相當於光速的2%），則電子行進越快，阻力反而越小（見91頁曲線圖）。如果有強大電場使高速電子加速，則阻力的降低使該電子移動得更快，進而降低阻力，以此類推。這類逃逸電子可加速到接近光速，獲得巨大能量，並引起放電，這就是所謂的逃逸崩潰。
不過，這個過程必須有一群具有高初始能量的種子電子存在。1925年，蘇格蘭物理學家威爾森（C.T.R. Wilson）首先提出，放射性同位素的衰變，或宇宙射線粒子與空氣分子的碰撞，可能產生高能電子，奔竄於雷雨雲內部的電場中。然而，威爾森的模式預測，放射性衰變以及宇宙射線撞擊所產生的逃逸電子太少，無法引起閃電。
1961年，俄國莫斯科列比德夫物理研究所的古爾維奇（A.V. Gurevich），對逃逸電子的機制提出另一種假說。古爾維奇提出，在很強的電場中，直接加速無處不在的低能量自由電子，可產生大量逃逸電子，從而規避了威爾森所遭遇到高能種子電子不足的問題。為了創造出這類逃逸電子，古爾維奇所採用的暴力法（brute-force method），電場強得令人難以置信，以致部份低能量電子迅速加快，並越過能量門檻而得以逃逸。這種機制的難處在於，必要的電場強度約為一般崩潰電場的10倍，自然也高於雷暴區所觀測到的電場。總之，物理學家似乎搞錯了方向。
終於，一種新概念於1992年浮現，有希望詮釋雷暴內部發生了什麼事，並說明閃電的成因。古爾維奇與美國馬里蘭大學的密立克（G. M. Milikh），以及美國洛沙拉摩斯國家實驗室的羅斯杜普利（R. Roussel-Dupre）共同提出「相對性逃逸電子崩瀉（RREA）」模式。依此模式，逃逸電子會自行創造更多高能量種子電子。它們猛力衝撞空氣分子，撞出其他高能電子。這些被撞出的電子隨後四處奔竄並與更多空氣分子碰撞，又產生更多的高能種子電子，以此類推，結果造成高能電子大崩瀉效應，其規模隨著時間與距離呈指數成長。由於這個過程只要一個高能種子電子就能啟動，因此持續性的宇宙射線碰撞與放射性衰變，即足以觸發逃逸電子的崩瀉效應。而且，只要在具有強電場的區域內，崩瀉效應將會近乎無限制的持續擴大，導致逃逸崩潰。
再者，這個新的逃逸崩潰模式有別於古爾維奇的舊假說。它所需的電場，僅為乾燥空氣中發生一般崩潰的1/10。在發生雷暴的高空，空氣密度低於海平面，這類逃逸崩潰所需的電場約為每公尺15萬伏特，輕易的落在雷暴的實測值範圍內。的確，雷雨雲內所觀測到的最大電場約等於逃逸崩潰所需的電場，這或許並非巧合；我計算出在更高海拔處，逃逸崩潰會讓電場更有效的放電。
正常放電時，所有電子的能量都不高，而且行進速度十分緩慢，因此，靜電火花所發出的電磁輻射，能量最高僅及於紫外光範圍。但逃逸崩潰中，高速運動的電子使大量空氣分子游離，並產生高能的X射線與γ射線，這個現象就是眾所周知的「制動輻射」。因而，檢驗逃逸崩潰的途徑之一，就是搜尋X射線。
超人眼中的閃電
前有威爾森假說的啟發，後有古爾維奇的研究，科學家自1930年代起，即試圖觀測源自於雷暴與閃電的X射線。這類測量極費工夫，而且直到最近所得到的，多半是模稜兩可的結果。難處之一在於，X射線在大氣中的行進距離不長，通常離源頭數百公尺之內就被吸收殆盡。另一問題則是，雷暴是個電磁雜訊充斥的環境，而閃電更是射頻雜訊的大放射源，可在數公里外造成類似調幅收音機中聽見的雜音。偵測X射線必須記錄微弱的電子訊號，如果想在閃電附近進行這類測量，無異於在喧鬧的餐廳裡傾聽一段談話。由於難以區分何者是X射線所產生的真訊號，何者又是發自射頻的假訊號，因此許多早期的結果不易為人所接受。
1980年代，美國華盛頓大學的派克斯（G. K. Parks）與麥卡錫（M. McCarthy）等人運用飛行器進入雷暴內進行觀測，讓局面變得更有意思了。其後，現任職於美國新墨西哥礦業與科技學院的厄克（K. B. Eack）及同仁，則以探空氣球對雷雨雲內部進行一系列探測。這些觀測結果提供了引人入勝的線索：雷暴偶爾會迸射大量X射線。沒有人能分毫不差的指明這些X射線的來源，但輻射似乎與雲層內部增強的電場有關。有趣的是，X射線有時正巧在閃電出現之前放射，在閃電一發生時即嘎然而止。這或許是由於閃電形成短路，使引起逃逸崩潰所需的電場消失之故。
除了逃逸崩潰之外，研究人員不知還有何種機制，能在地球大氣中產生如此大量的X射線。其他與閃電有關的現象，都無法放射出X射線。儘管閃電能將空氣加熱至30000℃，達太陽表面溫度的五倍，但實際上這樣的溫度下並不會有X射線產生。
2001年，科學家總算找到了X射線與閃電之間的直接關聯。美國新墨西哥礦業與科技學院的摩爾（C. B. Moore）和同事們，記述他們從高山頂上發生的數起自然雷擊事件中，觀測到的高能輻射可能是X射線。與早期飛行器與氣球觀測結果不同的是，這種高能輻射似乎發自閃電本身，而非雷雨雲內部的大範圍電場。而且，放射似乎發生於閃電的第一階段，亦即導閃自雲端移向地面之際。這是前所未有的發現。
這就是我研究的切入點。身為物理學家，我一向對X射線與γ射線的成因感興趣。儘管這類輻射在太空中隨處可見，因真空令高能粒子得以暢行無阻。不過，它們在地球上卻希罕得多。因此，古爾維奇、密立克與羅斯杜普利的逃逸崩潰模式指出，如日焰這類事件所產生的同一種X射線，也會自雷暴與閃電生成，使我為之著迷。我決心一探自家後院屢見不鮮的雷暴，親自證實這些傳說中的X射線是否真的存在。
2002年，我在弗羅里達理工學院的研究小組，得到美國國家科學基金會的贊助，與弗羅里達大學的烏曼（M. A. Uman）團隊合作，展開一項行動，有系統的自閃電中搜尋X光放射。為了降低假訊號的干擾，我們將靈敏的X射線探測器設置於厚重的鋁箱內，隔絕濕氣、光線與射頻雜訊。我們的儀器裝設於美國弗羅里達州布蘭丁營的國際雷電研究與試驗中心（ICLRT）。ICLRT由弗羅里達大學與弗羅里達理工學院負責營運，擁有觀測閃電的配備，尤其是觀測與閃電相關的電磁場與光的放射。此外，該設備亦能運用小型火箭，於自然雷暴中以人為手段激發閃電。
當ICLRT上空發生雷暴，地面的電場亦達每公尺數千伏特，研究人員便從木造高塔上發射一公尺長的火箭。火箭會鬆開一捲包覆著薄層克維拉纖維的銅線，線的一端與地面接觸。當火箭上升到700公尺，垂下的接地線使火箭頂端的電場增強，引發向上傳播的導閃，一路蛇行進入雷雨雲內。而自地面竄升進入導閃的電流，會快速將導線汽化。約半數的發射任務會從上空的雲層引發閃電，而雷電通常會擊中火箭發射台。
自然及人造的閃電，通常皆由數個閃擊所構成。對人造閃電而言，每個閃擊的發生，都呈一束向下傳播的電荷，稱為突進導閃。近地面處，突進導閃大致依循火箭與引線所遺留的軌跡，於行進間將負電荷自雲間向下導引，並使所經通道的空氣游離。一旦突進導閃連接至地面，就會形成短路，並產生強大的電流脈衝，在通道內流通，稱為「回擊」。回擊產生的電流會迅速加熱通道，形成可見光而映入我們眼簾，隨後熱空氣的快速膨脹，則造成響雷傳入我們耳中。回擊後可能尾隨著另一個突進導閃，整個過程於是再來一次。接二連三的快速閃擊，則是使閃電通道閃爍的主因。
自然閃電中，扮演火箭一角的則是步進導閃，它沿著被游離的軌跡徐行，以鋸齒狀的步姿自雲間延伸至地面。然而，自然閃電的後續閃擊，則由突進導閃啟動，與人造閃電極為相似。研究人造閃電的好處，在於可精準控制雷擊的時機與位置，且實驗能一遍又一遍重複進行；每年夏季，ICLRT總要製造幾十次閃電。
說實話，長久以來見多了負面又模稜兩可的X射線觀測結果，使得我們在ICLRT架設儀器之初，其實並不指望能測量到任何源於閃電的X射線。因此，在完成首次人造閃電的觀測後，我把數據擱了一週以上。等到終於和我的研究生戴耶（M. Al-Dayeh）一塊兒坐下，將X射線探測器中的數據繪成圖表時，我差點從椅子上跌下來。令我與幾乎所有人都大吃一驚的是，我們發現人造閃電幾乎每次都產生大量的X射線。的確，X射線的閃現甚強，曾經令我們的儀器受輻射影響而短暫失靈。
翌年的後續實驗發現，X射線的放射起於突進導閃，其中有部份可能來自回擊發生之初。這些X射線的能量達25萬電子伏特左右，相當於胸部X射線檢查的兩倍能量。且X射線並非連續放射，而是以每百萬分之一秒迸放一次的型態快速發生。凡人若有超人般的視覺而看得見X射線，閃電看起來將與往常所見大異其趣：導閃向下傳播時，映入眼簾的會是一連串快速閃爍的強光從雲端下降。閃光接近地面時會增強，隨著回擊開始瞬間的極強爆發而告終。隨之而來的電流脈衝在可見光下雖然耀眼，但在X射線下看來卻是一片漆黑。
觀測閃電所產生的X射線，可說明電子獲得充份加速而產生制動輻射的過程中，逃逸崩潰必定牽涉其中。但結果發現，我們的測量結果與古爾維奇、密立克與羅斯杜普利所發展的相對性逃逸電子崩瀉模式不甚吻合。我們觀察到的X射線，能量比崩瀉模式所預測的低得多，爆發強度則超出預期甚多。事實上，觀測結果顯示，導閃所造成的電場，強度遠遠高於大家先前的認定。諷刺的是，至目前為止，我們的實驗暗示，導閃的作用機制與古爾維奇於1961年提出的舊逃逸崩潰模式較為相似。該模式所需的電場甚強，以致當初乏人問津。閃電究竟如何產生如此強大的電場，至今仍是個謎，不過更進一步觀測X射線應可提供線索。
自從初次發現人造閃電所放射的X射線以來，我們也觀測過數次擊中ICLRT的自然閃電。這些數據展現了步進導閃階段中，美妙的X射線放射，印證了先前新墨西哥礦業與科技學院的探測結果。再者，X射線的快速迸射恰於導閃下行之際同時發生，這項結果證實逃逸崩潰與步進過程有關，也決定了閃電的去向與分枝方式。類似的機制也在後續閃擊的突進導閃階段中發揮作用。
簡而言之，自然閃電所放射的X射線與人造閃電極為相似，逃逸崩潰是地球大氣中常見的現象，這個概念已逐漸明朗。即使空氣分子阻礙高速電子的加速，我們仍然在空氣密度最高的地面附近，目睹了逃逸崩潰的證據。（我們所觀察到的X射線，多半來自閃電通道底部100公尺左右。）因此，在發生雷暴的海拔高度，逃逸崩潰的發生也許更為頻繁。
雷暴的背後
發生在雷雨雲內部的閃電又是怎麼回事？過去幾年，研究人員建立了一套希望無窮的模式，說明宇宙射線衝擊產生的粒子雨（particle shower），如何搭配逃逸崩潰而造成閃電。僅靠一個高能種子電子，即可造成逃逸電子的大規模崩瀉效應，而宇宙射線簇射，動輒數百萬個高能種子電子同時蜂擁而至，所引起的放電規模絕對驚人。如此劇烈的放電使該處的電荷大幅增加，因而可能造成崩瀉前端電場的局部增強。這種作用可能類似門把附近的手指頭，使電場短暫增強到一般電崩潰的發生點。
去年夏天，我們在ICLRT進行的實驗，得到了一項迷人的證據，可支持雷雨雲內部有逃逸崩潰現象。當季最後一次火箭發射期間，我們在距閃電通道650公尺處設置的三具探測器，意外測得一次能量很高的巨大輻射爆發，並非X射線，而是γ射線。單一γ射線光子的能量高達1000萬電子伏特，較我們先前自導閃觀測到的X射線高出40倍左右。那些把科學家想成冷靜又拘謹的人，真該看看我們目睹電腦上顯示出γ射線閃光數據時的反應。不明就裡的人，可能會以為是我們支持的球隊在超級盃中剛完成了致勝的達陣得分。
基於對閃電通道電流、電場以及γ射線特性的測定結果，我們推論放射源可能在數公里高的雷雨雲內。我們沒料到會在這種高度見到γ射線，因為大氣會吸收這類輻射。但顯然放射源的強度相當高，以致部份光子仍可抵達地面。這個發現說明，雷雨雲內可能發生逃逸崩潰的過程，與人造閃電的發生有關。我們的觀測結果證明，在地面上研究這種現象是可行的，在實驗操作上遠比將探測器搭載在飛行器或氣球上來得容易。此外，科學家最近也發表一項報告，在600公里外的軌道上繞行地球的高能太陽光譜影像衛星（RHESSI），也測得與雷暴有關的類似γ射線爆發。
在美國國家科學基金會的額外補助下，我們現正將ICLRT的X射線儀器數量由5套擴充至36套以上，涵蓋布蘭丁營內一平方公里的區域。擴充後應可提升我們研究自然及人造閃電的能力，並增加從雷雨雲探測到γ射線的機會。在電場測量難度極高處，X射線與γ射線可做為輔助確認電場強度的探針。此結果應能令我們對引發閃電並助長其傳播的崩潰過程，得以有更深入的了解。
利用X射線研究閃電還算很新的手法，也因此幾乎每次實驗都會發現以往未知的新鮮事。我們已明白閃電不只是像觸摸門把時產生的那種尋常靜電火花的放電，它們牽涉更另類的放電現象，會產生逃逸電子與X射線。由於X射線使我們得以透過全新途徑觀察閃電，因此這種研究或許終能助我們一臂之力，解開富蘭克林在兩個半世紀前就已埋首苦思的謎題。 （本文出自SA 200505）
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閃電閃光的光譜 
某些森林生態系藉野火干擾而產生演替，以維持生物多樣性。圖為2000年南投縣丹大地區的林火跡地，火後一個月新芽驟長。