揭開地球最強無線電波之謎

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知社去年刊發一篇關於球狀閃電的科普文章，其中介紹的新球閃理論

認為球閃是閃電導致的極端微波輻射事件。假如該理論成立，考慮到無處不在的無線電探測，一個推論就是人類很可能已經探測到了與球閃同源的微波或無線電波。反過來，如果沒有相關探測，新球閃理論成立的可能性就較低。那麼，與球閃同源的無線電波現實中真的存在嗎？是否已被觀測到？如被觀測到，其特點又是什麼？這些特點能被球閃同源機理解釋嗎？本文將回答這些問題。

1993年，美國發射了ALEXIS號衛星

，其裝有一個朝向地面的無線電探測器。升空不久，該衛星就探測到了數百次強無線電波，其功率可輕易超兆瓦，在地球自然環境中是最強的。有趣的是，這些無線電波總包含兩個清晰可辨的脈衝信號。

人們很快發現這些無線電雙脈衝與另一顆衛星記錄的閃電活動存在著必然聯繫。閃電伴隨巨大的放電電流，發出無線電波不足為奇。可是，人們通過地面觀測閃電的數十年裡，只有兩三次同等強度的無線電波觀測報道。這說明強無線電雙脈衝更容易在太空中被探測到。

為了深入研究這些無線電雙脈衝，美國和印度相繼於1997和2012年又發射了兩顆衛星

。新衛星記錄下了無線電雙脈衝的強度、偏振、相干性、雙模性等信息。

流行假說

這些無線電雙脈衝是如何產生的？一個當前流行的假說認為雷電雲中發生了一種特殊閃電，該閃電放出了一個各向傳播的無線電脈衝。直接傳輸到衛星形成了無線電雙脈衝的第一脈衝，第二個脈衝來自地面反射的無線電波「回聲」。回聲模型計算出的雙脈衝間隔與衛星觀測大致相符。

然而，這個假說暗示地面和衛星兩種觀測的可能性應是相同的，這與衛星更易探測的事實相矛盾。另外，最近的高頻段數據分析顯示所有事件中兩個脈衝的內部結構關聯度為零。就好比第一個脈衝攜帶的信息是「121」，其回聲聽起來卻是「咯咯噠」。這是回聲模型完全不能解釋的。

圖2：ALEXIS號衛星觀測到的強無線電雙脈衝

球閃同源解釋

給出新的解釋前，需要了解閃電的另一面。英國物理學家威爾遜教授在發明使其獲得諾貝爾物理獎的雲室后，開展了一些閃電物理研究，他測量了雷電雲的電荷結構和單次閃電釋放的總電量。1925年，威爾遜教授還提出了一個假說：宇宙射線導致的高能電子會在雷電雲內部電場的加速下達到接近光速的相對論能量。隨後，人們果然在雷電雲中探測到了這些高能電子撞擊空氣產生的X射線。這些雲內X射線可能會對飛機乘客造成不小的輻射危害。

相對而言，沒人預言打到地面的閃電會產生X射線。2001年，美國科學家偶然探測到一次地面閃電的X射線事件[5]。地面閃電來自雷電雲的下端, 一步一步呈分叉狀下行，觸及地面後由於短路發出強光和雷鳴。後續發現閃電每一小步都會產生X射線，臨近地面的最後幾步X射線最強。這些X射線同樣來自高能電子，它們也能到相對論能量。

閃電在最後兩步產生的兩團電子打擊地面，就能產生兩個無線電脈衝。相對論效應使得無線電波主要朝向天空，更易被衛星探測到。雙脈衝間隔 (7-110微秒) 直接等於閃電步間延時 (5-100微秒)。兩團電子彼此獨立解釋了雙脈衝的不相關性。另外，無線電雙脈衝的強度、偏振、相干性、雙模性等特徵也首次得到了解釋。

圖3：富蘭克林（左）1752年進行了著名的「風箏實驗」；阿拉戈（中）1838年最早詳細討論了球閃；威爾遜（右）開啟了現代閃電物理研究。

新球閃機理成功解釋了20多年來3顆衛星的無線電雙脈衝數據，揭示了地面閃電產生的高能電子可以打擊地面併產生強電磁輻射。這是一個不為人知的新閃電破壞效應，也是球閃微波理論

的一個基本假設。

人們在規劃無線電雙脈衝的一個可能應用

。在暴風雨開始前約10分鐘或在颶風風力升級階段，常常伴隨著一個閃電頻率的陡增。無線電雙脈衝更易在太空探測的特點使其可以作為檢測閃電的一個重要信號。人們藉助GPS衛星就能在全球範圍內實時監控和預警暴風雨天氣，從而減少生命和財產損失。另外，信號的色散程度 (圖2中的曲線曲率) 可以精確計算電離層的等離子體總量。這種閃電輻射機制應在岩石行星中是普適的，將來可能會在類地行星大氣層的檢測中發揮一些作用。上述研究是在球狀閃電微波理論

指引下開展的。該理論是迄今描述球閃形成的唯一定量理論，由於其成功解釋了球閃的諸多特徵而獲得廣泛關注和愈多認同。美國球閃研究者斯蒂芬教授評價道

: 「The relativistic microwave theory of ball lightning recently proposed by Wu accounts for many of the leading characteristics of ball lightning, which most previous theories have failed to do.」 美國新科學雜誌Nautilus評論道

: 「Even today, we don』t have a crystal-clear understanding of how they (球閃) form and do what they do... Chinese scientist H.-C. Wu offered a compelling (令人信服) new explanation.」

為了尋找與球閃同源的無線電信號，需要鑒別不同種類的閃電輻射。令人吃驚的是，這些同源信號真的存在，其特點還能被球閃機理所解釋。這為球閃微波理論提供了一個必不可少的實際依據。將來，也許可以利用衛星俘獲到概率很小的球閃事件。

相關文獻

[1] H.-C. Wu, Relativistic-microwave theory of ball lightning. Sci. Rep. 6, 28263 (2016).

[2] D.N. Holden et al., Satellite observations of trans-ionospheric pulse pairs. Geophys. Res. Lett. 22, 889 (1995).

[3] A.R. Jacobson et al., FORTE observations of lightning radio-frequency signatures: Capabilities and basic results. Radio Sci. 34, 337 (1999).

[4] M.S. Dolgonosov et al., Solitary trans-ionospheric pulse pairs onboard of the microsatellite Chibis-M. Adv. Space Res. 56, 1177 (2015).

[5] C.B. Moore et al., Energetic radiation associated with lightning stepped-leaders. Geophys. Res. Lett. 28, 2141 (2001).

[6] T. Hamlin et al., Space- and ground-based studies of lightning signatures. H. D. Betz et al. (eds.), Lightning: Principles, Instruments and Applications (Springer, Germany, 2009).

[7] K.D. Stephan, Extension of relativistic-microwave theory of ball lightning including long-term losses and stability. Arxiv-1608.00450 (2016).

[8] http://nautil.us/blog/a-new-explanation-for-one-of-the-strangest-occurrences-in-nature-ball-lightning

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