NASA改装的U2科研飞机揭示热带雷暴具有放射性

美国国家航空航天局的 ER-2 研究飞机飞越雷暴上空的插图。 图片来源：卑尔根大学/视觉山（CC BY 4.0），已编辑

20 世纪 90 年代，美国国家航空航天局（NASA）为发现来自超新星和其他天体的高能粒子而建造的卫星发现了一个惊喜--来自地球的高能伽马射线暴。

虽然研究人员没过多久就发现这些放射性超电荷粒子来自雷暴，但这种现象如何普遍发生仍然是个谜。 卫星并不是用来发现来自地球的伽马辐射的，它们必须在正确的时间和正确的地点才能发现伽马辐射。

多年来，科学家们一直使用不理想的平台来完成这项任务，如今，一群科学家获得了一个机会，让美国国家航空航天局（NASA）拥有的一架改装过的 U2 间谍飞机飞越风暴上空，以进行适当的观察。 在10月3日发表在《自然》（Nature）上的两篇新论文中，研究小组发现，雷暴中产生的伽马射线比人们想象的要普遍得多，而产生辐射的动力学则蕴藏着尚未解开的谜团。

杜克大学威廉-H-杨格工程学杰出教授史蒂夫-卡默（Steve Cummer）说："雷暴中发生的事情比我们想象的要多得多。事实证明，基本上所有大雷暴都会以多种不同的形式整天产生伽马射线。"

在热带闪电风暴上空执行勘测任务的 ER-2 研究飞机。 资料来源：美国国家航空航天局

雷暴如何产生高能伽马射线闪烁背后的一般物理学原理并不神秘。 雷暴发生时，漩涡气流将水滴、冰雹和冰块卷入混合物中，产生电荷，就像在衬衫上摩擦气球一样。 带正电荷的粒子最终到达风暴的顶部，而带负电荷的粒子则落到底部，从而形成一个巨大的电场，其强度相当于 1 亿节 AA 电池端对端地叠放在一起。

当其他带电粒子（如电子）发现自己处于如此强大的电场中时，它们就会加速。 如果它们加速到足够高的速度并碰巧撞击到空气分子，就会撞出更多的高能电子。 这个过程层层递进，直到碰撞产生的能量足以产生核反应，产生极强、极快的伽马射线、反物质和其他形式的辐射。

但这并不是雷暴伽马辐射故事的结尾。 在雷暴附近飞行的飞机也曾看到云层中发出微弱的伽马辐射光。 这些风暴似乎有足够的能量产生伽马辐射的低空煨焰，但有什么东西阻止了它像爆裂的玉米粒那样产生爆炸性的爆发。

库默说："一些飞行器试图找出这些现象是否常见，但结果不一，在美国上空的几次飞行根本没有发现任何伽马辐射。这个项目旨在彻底解决这些问题。"

研究小组获得了美国国家航空航天局 ER-2 型高空机载科学飞机的使用权。 这是一架冷战时期遗留下来的改装 U2 间谍飞机，飞行高度是商用飞机的两倍，距离大多数雷暴上空约三英里。 它的速度也非常快，使研究小组有机会准确地选择他们认为最有可能产生结果的雷暴。

挪威卑尔根大学空间物理学教授兼该项目的首席研究员尼古拉-厄斯特加德（Nikolai Østgaard）说："ER-2飞机将是观测雷云伽马射线的终极平台。以 20 千米（12.4 英里）的高度飞行，我们可以直接飞越云顶，尽可能接近伽马射线源。"

由于ER-2是完美的解决方案，而且研究小组将飞越合适的风暴，研究人员认为，如果这些现象很罕见，那么他们几乎看不到任何现象。 但如果这些现象很常见，那么他们就会看到很多。

在一个月的时间里，ER-2 在佛罗里达南部热带地区的大型风暴上空飞行了 10 次，其中 9 次观测到了这种模拟伽马辐射，其动态程度也超出了预期。

卑尔根大学物理与技术系教授马蒂诺-马里萨尔迪说："伽马射线发光雷云的动态与以前的准静态发光图像截然相反，在模式和行为上都更像一个巨大的伽马射线发光沸腾锅。"

考虑到热带地区典型雷暴的规模要比其他纬度地区的雷暴大得多，这表明热带地区一半以上的雷暴都具有放射性。 研究人员推测，这种低水平伽马辐射的产生就像一锅水中沸腾的蒸汽一样，限制了内部能量的积累。

同样令研究人员兴奋的是，他们还发现了许多来自同一场雷暴的短时强伽马射线暴。 其中一些与美国宇航局卫星最初探测到的伽马射线爆发非常相似。 这些现象几乎总是与活跃的闪电放电同时发生。 这表明，闪电产生的大电场很可能对已经很高能的电子进行了增压，使它们能够产生高能核反应。

但是，至少还有另外两种类型的短伽马射线暴是以前从未见过的。 其中一种短得令人难以置信，不到千分之一秒，而另一种则是在大约十分之一秒的时间里重复出现的一连串大约 10 个单独的伽玛射线暴。

库默说："这两种新形式的伽马辐射是我觉得最有趣的。"它们似乎与闪电的发展无关。 它们是以某种方式自发出现的。 这些数据暗示，它们实际上可能与引发闪电的过程有关，而这对科学家来说仍然是一个谜。"

美国国家航空航天局阿姆斯特朗的 ER-2 飞机在高空飞行，研究闪电。 资料来源：美国国家航空航天局

如果有人担心自己会被这些伽马辐射变成绿巨人，那大可不必。 只有当人或物体离辐射源很近时，产生的辐射量才会有危险。"如果你发现自己在那里，辐射将是你最不需要担心的问题。 由于极度的湍流和狂风，飞机会避免在活跃的雷暴中心飞行，"库默说。"即使知道了我们现在所了解的情况，我也不会比以前更担心飞行了。"

编译自/scitechdaily