俗话说，闪电不会击中同一个地方两次，而且心急吃不了热豆腐。
但这两句话都不对——尤其是当你的“豆腐”是一场巨大的热带雷暴，充满了闪电，而你正从平流层上方远远地观察它时。最近在《自然》杂志上发表的两篇研究发现，一些风暴确实像滚开的沸水一样——释放出强大的伽马射线爆发，而不是蒸汽。其中一些排放发生在神秘的、以前未被识别的模式中，即转瞬即逝的闪烁，似乎会引发普通的闪电放电。
新罕布什尔大学的物理学家约瑟夫·德怀尔说：“闪电如何在雷暴内部开始是一个巨大的谜团，他曾担任这两项研究的审稿人。“数十年的气球和飞机测量未能发现风暴内部存在足够大的电场来产生火花，但雷暴每天却能在地球周围产生超过 800 万次闪电。我们显然遗漏了一些重要的东西。这些新的观察结果可能就是‘那个东西’。”
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科学家们长期以来都知道，雷暴可以产生伽马射线，这是一种极高能量的光，通常与天体物理现象有关，例如爆炸的恒星和吞噬物质的黑洞。在地球上的暴风雨中，这种排放背后的物理原理相对容易理解：旋转的、被风吹动的水滴和冰晶在风暴中积聚电荷，带正电的粒子上升到云顶，带负电的粒子下沉到云底。这导致产生了一个大约 1 亿伏特的巨大电场——足以加速风暴内部的电子达到接近光速，使带电粒子撞击空气分子，释放出更多的电子，并引发级联碰撞，其能量之高足以最终产生伽马射线。
研究人员观察到两种形式的雷暴伽马射线辐射：持续数百秒的相对长寿命的“辉光”，以及强度高的、微秒级的爆发，称为地球伽马射线闪光 (TGF)，其亮度足以被地球观测卫星看到。
但科学家们也知道，这幅图景是不完整的，因为它建立在来自机载和地面仪器的零星读数之上。“我们仍然对风暴的电气性质存在很大的不确定性，从云中粒子如何分离电荷的细节，到闪电起始和通道发展的物理原理，”国家海洋和大气管理局国家强风暴实验室的大气科学家凡娜·赫米列夫斯基说，她没有参与这项新研究。“鉴于众多影响因素、即使在单次风暴中也已知的变异性以及可用于验证的有限观测数据集，实验室环境或模型中很难甚至不可能准确捕捉到许多这些过程。”
为了获得更清晰的视野，在 2023 年，由挪威卑尔根大学的大气物理学家尼古拉·厄斯特加德和马蒂诺·马里萨尔迪领导的一个团队，从近距离和高空监测大型风暴的伽马射线排放，驾驶美国国家航空航天局拥有的改装 U-2 间谍飞机在加勒比海和中美洲上空飞行了 10 次以追逐雷暴云团。该计划名为 ALOFT（机载闪电观测台，用于蝇眼静止轨道闪电测绘仪模拟器和地球伽马射线闪光），构成了迄今为止对雷暴伽马射线排放进行的最全面和最集中的空中监视。
美国宇航局的高空 ER-2 飞机（一架改装的 U-2 间谍飞机）搭载仪器，用于记录来自雷暴云的伽马射线（图中紫色仅为示意），这是 ALOFT 任务的艺术家印象图。
美国宇航局/ALOFT 团队
杜克大学的电气工程师、这两项研究的合著者史蒂夫·卡默说：“ALOFT 的设计目的是试图明确回答‘这些伽马射线闪光和辉光是常见的还是罕见的？’这个问题。“它确实不负众望……伽马射线的产生过程比我们想象的要重要得多。”
飞行揭示了预期的辉光和 TGF，但也发现了更多：这两种现象都被证明比预测的更为普遍，其中大多数 TGF 都足够暗淡，以至于逃过了任何 надзирающих 卫星的注意。辉光也不像预期的那样从风暴中孤立的区域稳定地发出，而是在大约 100 公里宽的区域内，以辐射激增的方式持续数小时。在数百起记录事件中，研究人员还瞥见了一些新的东西——所谓的闪烁伽马射线闪光 (FGF)，即持续数毫秒的发射脉冲尖峰，似乎从辉光中涌出。厄斯特加德说，最令人感兴趣的是，“所有瞬态伽马射线事件之后都伴随着强烈的闪电。”
研究人员说，这些高能事件的活力和巨大数量暗示，其源头的电子雪崩除了刺激闪电产生外，还起到限制雷暴大规模电场的作用。“雷暴正在产生如此多的电离辐射，以至于它们在某些区域部分放电，导致电场在风暴内的其他区域飙升，”德怀尔说。“这些电场增强可能足以引发闪电。”
马里萨尔迪说，总而言之，ALOFT 的结果描绘了一幅新的、更细致的图景，需要进行后续研究。“带电粒子在雷暴云中加速到相对论能量，伽马射线是其代表，这是一个内在且非常普遍的过程，至少在对流热带云中是这样，”他说。“我们的观察结果提出了一个有趣的假设：发光的雷暴云可能是闪电起始的先决条件。辉光可以在不稳定的现象中局部演变——例如 FGF 和 TGF——从而导致闪电的发生。我们渴望通过另一次飞行活动来检验这一假设。”
他说，未来的飞行可以检查较高纬度风暴的排放，并调查另外两个主要的闪电热点地区，即位于中非和东南亚的地区。