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雷云|宇宙射线解释了引起闪电的电场

关于产生电场的新的实时信息可以从宇宙射线雨通过雷暴时形成的无线电波中获得 。 这是一个国际物理学家小组研究了射电望远镜在电暴期间记录的数据后得出的结论 。 研究团队看到了带电粒子产生的无线电发射的变化 ， 计算机模型表明这是由于雷云中强电场的偏转所致 。
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【雷云|宇宙射线解释了引起闪电的电场】据卫星成像显示 ， 全世界每秒钟大约有40次闪电 。 虽然大部分是无害的 ， 但是雷击会损坏建筑物 ， 甚至会杀死人 。 如果我们知道闪电将在哪里和在什么时候产生雷击 ， 那么其中一些破坏可以减轻 ， 但是这样的预测是困难的 ， 因为我们对闪电是如何产生的知之甚少
。 雷暴的发展迅速且不可预测 ， 因此使用火箭或气球上的仪器测量闪电放电之前在雷云中形成的巨大电场是很困难的 。
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“太空淋浴”
这项新的研究采取了不同的方针 ， 并研究了高能宇宙粒子与大气中的原子核碰撞所产生的粒子淋浴 ， 并使粒子淋浴落向地球 。 其中许多粒子是带电的 ， 因此会被地球磁场偏转 。 这种偏转导致粒子反射无线电波 ， 射电望远镜可以检测到这种无线电波 。
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根据荷兰Radboud大学Heino Falcke和他的同事们在2010年进行的计算 ， 这些无线电波的极化和强度都会改变 ， 在10kv/m以上的电场梯度下是可测量的 ， 而这个数值则是在一朵雷云中发现的一个典型值 。
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虽然这些计算主要是为了帮助天体物理学家过滤掉电场对宇宙射线无线电研究的影响 ， 但是Falcke和他的同事们现在已经加入到地球物理学家和天体物理学家行列第一次使用射电望远镜测量了雷云中的电场 。
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基于Radboud的天体物理学家Pim Schellart的领导 ， 这个团队对2011-2014年荷兰低频阵列射电望远镜采集的数据进行了筛选 。 在这一段时间里 ， 望远镜发现了762个空气阵雨 ， 但只要大约60个阵雨的发生不能单独用磁场偏转来解释 。
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“丢弃事件”
把这些描述为丢弃事件 ， 它们通常不会被分析 ， 因为太杂乱了 。 荷兰皇家气象学会的记录显示 ， 在31次的异常阵雨中有20次在2小时和150公里的范围内发生了雷击 ， 这使Schellart和他的同事们能够去辩论剩下的11个事件可能对应于大气电场 ， 该电场不能导致所被记录的雷击 。
然后 ， 研究团队使用计算机模拟分析了其中一个闪电事件的望远镜数据 。 他们的模型表明无线电波是在雷云中产生的 ， 雷云是从地面3公里延伸到最高8公里的高度 ， 这两个都是雷云的合理值 。 云有可能延伸到8公里以外 ， 但如果超过这个高度 ， 带电粒子就会减少 ， 因为淋浴不会完全发展 。
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“梯度等级”
云顶电场梯度为50kv/m,下游电场梯度为27kv/m,这也是雷云的典型值 。 有趣的是 ， 研究人员发现 ， 将模型中的电场强度提高到50kv/m ， 导致预测的无线电波强度变化很小 ， 这个影响是他们现在正在研究和调查的 。 Schellart说:“无线电发射的变化给了我们很多关于雷暴中电场的信息 ， 我们甚至可以确定云中某一高度的电场强度 。 ”他的团队还在LOFAR安装了一个电场计 ， 以进一步了解与记录的雷击不对应的异常事件 。 他们的技术甚至可以用来观察宇宙射线阵雨是否会在带电粒子穿过雷云时触发闪电—这是Aleksandr Gurevich在莫斯科列别捷夫物理研究所首次提出来的 。 他还可以帮助物理学家理解为什么雷云有时会发出伽马射线的闪光 ， 是一种被认为涉及雷云电场加速由宇宙射线淋浴产生的电子的现象 。
作者: Hamish Johnston
FY: Cybele
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