【科普速递002】闪电到底多少伏？

 “雷车驾雨龙尽起，电行半空如狂矢。”

雷电，是如此的雄伟壮观而又令人生畏。在21世纪的今天，我们能否利用它的伟力把它变成我们天然的发电站？人类真的了解雷电吗？人类有可能驯服雷电为我所用吗？

最新消息：科学家用μ子带领我们重新认识雷电！

过去的文献指出，典型的雷暴云空间电荷的模拟研究被简化为偶极和三极两种模型，两者之间的差别表征为是否存在底部正电荷区。

如下图，电荷的垂直分布从上到下依次是: 负的屏蔽层电荷区（S）、上部正电荷区（P）、主负电荷区（N）和底部正电荷区（LP）。过去科学家曾通过向雷暴云中送入带电场计的气象气球收集数据，使用这种模型计算得到闪电电压为1.4亿伏特左右。

而最近的一场对μ子的观测中发现，事实远非如此。

μ子是一种基本粒子，和电子一样，也属于轻子。但它比电子重，静止质量为电子的207倍，算是电子的胖哥哥。虽然它“超重”了一点，在很多介质中却能“身轻如燕”，以致在介质中比光跑的还快，因而产生一种“切伦科夫辐射”，这种辐射可以被探测器观测到，成为探索自然奥秘的利器！

▲美国爱达荷州先进实验反应器核心部位产生的切伦科夫辐射。

日本科学家和印度科学家在印度的乌堤（Ooty）联合建设了一个Ooty建设了一个超高能伽马射线天文望远镜（GRAPES-3），原本用于观测宇宙射线。但这次，科学家Gupta及其同事却将这架超级望远镜对准了雷暴。

GRAPES-3是一个有超过400个闪烁体阵列的探测器，可以利用切伦科夫辐射原理来探测通过闪烁体的μ子的能量，该实验在一般条件下每分钟能观察到大约250万个μ子。在雷暴期间，这个数量有所下降，因为带电的μ子往往会被雷暴的电场减速。

▲印度的超高能伽马射线天文望远镜（GRAPES-3）。没错，就是这么简陋。

通过探测太空射向地球的μ子穿过雷暴云中的电场时造成的数量损失，就可以推算出产生闪电时的电压大小，这不算是太复杂的实验。

出人意料的是，通过这种方法计算出的闪电电压高达13亿伏特，是之前模型预测的10倍左右。这可能表明先前对雷暴的模拟被简化了，真正的雷暴可能更加复杂。

在这之前，还有一种现象一直让科学家们费解：一些雷暴竟然能够向太空中发射伽马射线。而如此高的电压如果得到证实，就能成功解释这种现象。

回顾人类对于雷电的认识，很有意思的一点在于，人类测出的电压越来越高，30年前是1000万伏特，20年前提升到1亿伏特，而最新的数字竟然是10多亿伏特。也许我们根本就没有探到雷电的上限，未来我们有了更先进的观测手段，这一纪录还可能被打破。

看来，人类距离驯服闪电还有很长的路要走。

▲可以让雷电为人类所用吗？