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超级闪电为何总喜欢轰击海洋?

 大科技杂志社 2021-11-22

据估计,全球每秒会产生10~14次云对地闪电,其中超过90%击中陆地,但是相比之下,击中海洋的闪电却要强得多,其中就包括罕见的“超级闪电”。超级闪电指的是能量比普通闪电大上百倍的闪电,其亮度是普通闪电的100~1000倍。

为什么海洋对超级闪电如此具有“吸引力”呢?

盐制造了超级闪电?

人类很早就知道海上的闪电更猛烈,但是这种现象出现的原因却一直没有确定。以色列的海洋学家穆斯塔法·阿斯弗尔的一个偶然的发现似乎为解答这个问题提供了线索。

2020年的一天,阿斯弗尔正在实验室中研究海上风暴,他和同事们在一个盒子中制造了一个小风暴。这是一个简单的实验,制造风暴的盒子连着一个火花发生器,几个电极和一个装满水的烧杯。当火花发生器模拟闪电产生时,盒子中的空气被加热,发出微小的爆裂声。这种微型闪电的强度很小,只有真正的闪电的数百万分之一,但是它看起来就像是真的闪电。

在实验过程中,阿斯弗尔和他的同事注意到,烧杯中的水的盐度似乎对微型闪电有影响,盐度较高的水似乎能产生更亮的闪电。为了解答他们的疑问,他们取来了加利利海、地中海、死海的海水,以及土壤样本来做实验。为什么要选择这些样本呢?这是因为不同的水体和土壤咸度不同。加利利海是以色列最大的淡水湖,加利利海的盐度在0.19‰~0.28‰(记录盐度的最常见方法是测量1000克水中的盐含量是多少克,因此被记作“千分之几”)之间波动。地中海则是世界上最大的陆间海,来自陆地的河流携带了许多矿物质奔流入海,所以海水盐度较高,约为38‰。而死海更以超高的盐浓度而闻名,湖水蒸发严重,盐度越来越高,目前约为280‰。而土壤也作为样本之一,是为了对比水体和陆地产生的闪电的区别。

实验结果显示,当烧杯中加入死海的水时,与烧杯中的水是加利利海的水时相比,所产生的闪电的亮度高出了近40倍。而加利利海的水与潮湿的土壤相比,前者产生的闪电亮度是后者的1.5倍。为什么会有这样的区别呢?研究人员认为,在水中,盐能分解成有助于导电的正负离子。当雷击时,存在的离子越多,电荷从云中排出的效率就越高,这种快速放电会产生更高峰值的电流和更亮的闪电。这个结果让他们喜出望外,这不正可以解释为何海上强烈闪电更多的问题吗?

酸化的海水增强闪电强度?

如果盐的导电性使超级闪电更多地出现在大海上,那么其他能增强溶液导电性的因素是否也有助于制造超级闪电呢?比如海水的酸度,酸也能增强溶液的导电性。为了解答这个问题,阿斯弗尔和他的同事又着手进行另一项实验——海水的酸度对闪电强度是否有影响。

他们采集了地中海的海水,并在一组海水样本中添加强酸,在另外一组样本中加入二氧化碳气体,来调整海水的pH值。之所以在其中一组样本中加入二氧化碳,是考虑到海洋吸收大量大气中的二氧化碳后,会导致海水酸化。而海水酸化正在大自然中发生,并且正日益严重,威胁到了海洋生物的生存,因此在实验中进行模拟具有重要的意义。

这里要说明的是,海水酸化指的并不是海水变成酸性的,而是指二氧化碳溶入海水中,经过一系列反应后,使海水中氢离子浓度增加的现象。而众所周知,pH值是衡量溶液酸碱度的一个标准,表示的正是溶液中氢离子的浓度。在标准温度(25℃)下,pH值为7的溶液是中性的,pH值小于7为酸性,pH值大于7则为碱性。pH值每下降1个单位,氢离子浓度就会上升10倍,即海水酸度升高了10倍。因此即使现在海水平均pH值为8.1左右,为弱碱性,但是与工业革命前(普遍认为当时海水pH值为8.2左右)相比,海水中的氢离子浓度大量增加,因此被确定为发生了酸化。

让我们再回到阿斯弗尔的实验。在实验中,研究人员观察到,不管是加入了强酸,还是二氧化碳,闪电强度都会随着海水pH值下降而增强。而且,同样是使海水pH值下降,加入二氧化碳与加入强酸相比,前者所产生的闪电强度要比后者高2.6倍。

而为了更细致地了解海水酸化对闪电强度的影响,研究人员们根据已有的气象、环境研究数据,计算了工业革命前、现在和未来的海上闪电强度的变化。结果显示,现在与工业革命前相比,海洋上的闪电强度增加了约10%。而如果二氧化碳浓度以现在的速率继续增加,那么据估算到下个世纪初时海水pH值可能会降到7.8左右,到那时,闪电强度与现在相比可能会增强约40%。从这个结果来看,海水的酸度与闪电的强度似乎是正相关的。

说到这里,可能有人会提出疑问:在酸碱中和的过程中会产生盐,如果海水中加入酸,那是不是也一样产生盐呢?确实如此,阿斯弗尔的实验也显示,酸化的海水中盐的含量增加了。从这个结果来看,正好为阿斯弗尔的上一个实验提供了佐证,进一步说明,盐度在超级闪电的制造上可能也起到了非常重要的作用。

不同的观点

不过,阿斯弗尔的研究结果都是来自实验室,这些实验是在相对理想的条件下完成的,因此所得的结果并不一定适用于自然环境。美国华盛顿大学的地球物理学家罗伯特·霍尔茨沃思的研究就举出了反例。他调查了2010年至2018年的20亿次闪电,并绘制了8000次强烈的超级闪电的分布图,这些超级闪电确实绝大多数击中了海洋,不过它们经常出现的地点除了地中海,还有位于西北大西洋的西班牙、英国、冰岛和挪威的附近海域,此外,还有安第斯山脉(这是唯一的陆地上的地点)。

从这些地点来看,它们之所以成为超级闪电的多发地,似乎与盐都有一定的关系:地中海自不必说,它的盐度很高;而西北大西洋的盐度为33‰~37‰,比太平洋、印度洋的平均盐度高;安第斯山脉(秘鲁段)在几百万年前曾被海洋覆盖,尽管海水退去,但是那里留下了大量的盐矿。

死海的盐度很高,以至于人可以轻松浮在水面。

但是这其中也有一些疑问,比如像红海,盐度超过40‰;再比如中国的柴达木盆地,那里也曾被古海洋覆盖,沙土的盐度也很高,为何这些地方没有成为超级闪电多发地呢?这些问题意味着,参与制造超级闪电的应该不仅仅是盐和酸,还有其他因素。

尽管有不同的观点,阿斯弗尔的研究还是为科学家提供了研究超级闪电的新思路,在今后的研究中,科学家们可以在这些研究数据的基础上,进行更大规模的实验,甚至可以在海上对真正的闪电进行研究,从而解答超级闪电为何钟情于大海这个问题。而对这种气象现象的研究,或许可以为未来预报海洋雷暴天气提供数据支持,为在海上航行的人们提供更准确的预警信息。

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