闪电的能量并没有想象中的巨大，但它给人们带来的不仅仅是臭氧、氮肥、道友的传说，更是气象学、高能物理领域的惊喜和未解之谜。

作者 | 龙浩（电子科学与技术博士） 李吉儿

6月25日，世界气象组织（WMO）宣布了迄今为止检测到的最长闪电时间。 多久了？ 水平跨度709公里！ 相当于从武汉直接闪到上海。

然而，它并没有发生在我国，而是在2018年10月31日发生在巴西南部。WMO还公布了持续时间最长的闪电：2019年3月4日，在阿根廷北部，这次闪电持续了惊人的16.73秒。

水平跨度最长、持续时间最长的闪电|

这些“巨型闪电”的极端数据已经超出了传统基站的观测范围。 它们是如何测量的？ 巨大的雷电威力之中，似乎蕴藏着巨大的能量。 这种能量可以被人类利用吗？ 科学家们孜孜不倦地努力完善“人造闪电”实验。 他们得到了什么？

利用卫星遥感和“人工闪电感应”研究闪电

近期，全国多地出现特大暴雨，防范雷电灾害成为不少地方政府的头等大事。 如果能够准确观测并获取各地闪电信息，对于气候变化研究和防灾减灾具有重要意义。

观察闪电，除了眼睛，还有“闪电成像阵列”（LMA）。 它们部署在地面多处，利用观测网络测量闪电数据。 不过，如果遇到大型闪电的话，他们也无能为力。

如今，卫星遥感技术正在迅速发展。 它们从更广阔的高空直接俯视，可以探测范围更广、持续时间更长的极端闪电并获取关键数据。 最近宣布的跨度最长、持续时间最长的巨型闪电是由地球同步环境卫星GOES-16观测到的。

GOES-16 地球同步轨道环境卫星（由 NOAA 管理）百思特网|

随着这些“高大上”的观测手段的不断完善，人们对闪电的认识也越来越深刻。 但雷电的发生具有一定的随机性和不确定性。 如果只是袖手旁观，研究效率会很低。 有没有办法手动干预雷电的发生？

有。 中国气象科学院多年来开展“人造闪电”实验。 这是去年7月的实验场景，场景酷似科幻大片。

我国人工雷电试验| 中国气象局，2019

科学家首先通过闪电产生的条件来预测闪电形成区域，然后发射一枚小型火箭，拖动一根金属丝，通过金属丝将闪电引导到固定目标。

此次导雷试验成功实现了随机闪电的定向引导，为雷电这一小概率事件的研究提供了相对稳定可靠的实验环境。

如此成熟的导雷技术目前只有中国、美国、日本、法国、巴西等少数国家掌握，许多国家都在努力研究。

不过，这也令人好奇：难道是因为世界各地的科学家如此痴迷于人工感应地雷百思特网来收集闪电的能量？

闪电能源供应：现实远没有理想丰满

闪电的威力似乎如此之大，以至于人类和动物都躲避它。 我们经常看到树木或动物被闪电烧焦或杀死的新闻。

2016年挪威一山村大量驯鹿被雷击死 | 来自网络

如果能够有效收集如此“巨大”的能量，就可以避免区域性雷电灾害，同时作为绿色清洁能源使用，这似乎是一石二鸟的好事。 然而，实际情况可能与预期有所不同。

雷电的巨大威力来自于其巨大的电流，峰值可达数万安培（2200瓦家用大功率电暖器的额定电流仅为10安培）。 但其持续时间往往很短，通常只有几十微秒（1微秒=0.秒）。 因此，闪电实际传递的能量并没有想象中的那么大。

研究结果表明，典型的闪电可释放约 10 亿焦耳的能量，这似乎是一个惊人的数字。 但事实上，1千瓦时（1kWh）有360万焦耳。 换算下来，一次闪电可以获得约280千瓦时的电力，相当于一次雷击，只能将一辆特斯拉电动汽车充满（或报百思特网废）。

如果按照每千瓦时0.55元计算，一道闪电的价值约为154元！ 这样的产能确实不能令人满意。

虽然单个闪电的能量很小，但是如果闪电总量很大怎么办？ 据统计，全球每年有近14亿次雷击，但分布在世界各地。 平均每年每平方公里200次以上的雷击事件较为罕见，其中只有25%击中地面。 闪电直接释放到云层之中。

每年每平方公里平均雷击次数（红色/黄色表示闪电发生率高）|

不仅如此，很难知道天空中何时何地会出现闪电。 收集闪电只能是佛系的等待。 即使有幸等到闪电，超高电流和超高温度的冲击对于电能采集设备来说也将是巨大的考验，而不成熟的电能存储技术也是亟待克服的障碍。 这些困难让本来就薄弱的闪电能量供应雪上加霜。

因此，目前从雷电获取能量还不能满足供配电系统“安全、可靠、优质、经济”的要求，也不可行。 “人造闪电”并不是收集闪电能量。 那么，打雷的原因是什么？

闪电：源源不断的惊喜和谜题

科学家通过各种手段研究闪电。 除了开发和测试防雷技术外，他们还承担着非常重要的科学任务。

我们知道，当暴风雨来临时，云层和地面之间存在大量的相反电荷。 当它们积累到一定程度时，云层和地面之间就会产生极高的电压。 高电压会击穿不导电的空气，形成“等离子体”导电路径。 电荷流过这条路径，形成巨大的电流，从而产生“云地”闪电。

雷电感应试验是用小型火箭引导一根金属丝升上天空，连接云层和大地，人为地搭建一条导电路径，让电流沿着金属丝流动，形成人工闪电。

“云地”闪电的形成（图中云带负电，地面带正电）|

但电荷究竟是如何在云中积聚的，科学界仍然存在争议。

目前公认的观点是，云中存在多种形式的水，包括蒸气、液滴、冰晶和冰水混合物的“软冰雹”。 它们在复杂的气流环境中相互摩擦、碰撞。 非常小的水滴和冰晶（带正电）上升，大而重的软冰雹（带负电）下降。 因此，云层下部积累了大量的负电荷，这些负电荷会在地面上感应出正电荷，于是云与地之间就产生了电压。

然而，实际的大气气流、水相、空气环境以及传导通道的建立过程远比理论模型复杂，闪电形成的许多细节仍然是个谜。

此外，云内或不同云层间闪电发生频率较高的原因尚不清楚； 等）还蕴藏着许多不为人知的秘密； 刘慈欣描述的球状闪电在现实生活中屡屡被拍摄到，但仍缺乏令人满意的科学解释。

许多理论和猜想需要更详细、更精确的观测数据来验证或推翻。

火山闪电和木星闪电蕴藏着很多不为人知的秘密| &

不仅如此，闪电除了发出耀眼的可见光外，还能激发出肉眼看不见的X射线和伽马射线（波长极短的高能电磁波）。

物理学家认为，在自然环境中，伽马射线通常仅由剧烈的天体事件产生，例如恒星爆炸。 但越来越多的观测表明，在闪电发生的地方附近有一定概率可以探测到伽马射线。 当这些伽马射线与空气分子相互作用时，它们可以产生放射性同位素和正电子，它们是神秘的反物质。

闪电仿佛是地球上出现的天然粒子加速器，创造了一个又一个奇迹，让人惊叹不已。

最长最长的闪电让我们感受到了新型闪电探测技术的进步，闪电实验使人工控制闪电成为可能。 虽然闪电的能量没有想象中的巨大，但它给人们带来的不仅仅是臭氧、氮肥和道友救赎的传奇，更是气象和高能物理领域的惊喜，甚至是更大的谜团。

参考：

MJ、Lang TJ、EC 等。 Flash（709 公里）和太空（16.73 公里）的新功能。 , 2020, .