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追逐闪电的人

科学家们在闪电巷附近——卡纳维拉尔角——安营扎寨,并部署了大量专业设备,试图破解闪电的神秘物理学。

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一些高功率的闪电会产生不寻常的物质形态。iStockphoto

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佛罗里达州泰特斯维尔——美国发射航天器的理想地点,恰好位于一个被称为“闪电巷”的区域中部。即使佛罗里达州卡纳维拉尔角——肯尼迪航天中心(KSC)所在地——上空的空气没有风暴,但电气状况也可能导致发射取消。航空管制员不敢将火箭送入带电的蓝天,因为飞船可能成为巨大的、飞行的避雷针。而在发射之前,一次不合时宜的闪电就可能轻易地毁掉一次任务。“如果闪电击中了发射台准备中的飞行器附近,我们可能需要重新测试所有系统,以确定感应电流是否造成了损坏,”航天中心天气办公室研究主管弗兰克·梅尔赛雷特说。“我们甚至可能需要将航天飞机滚回载具装配大楼。”

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综上所述,梅尔赛雷特热烈欢迎来自密西西比大学的两名资深研究人员——汤姆·马歇尔玛丽贝丝·斯托尔岑堡——的到来。他们在这里进行的长期项目旨在探索闪电的基本物理学。马歇尔说:“闪电在实验室里没有类比。”这就是为什么他的团队在夏季雷暴最活跃的时候,打包了两辆货车的设备,在这里进行部署。闪电之所以如此出名,是因为它能将骚动的雷雨云中的大量电荷导向下方的地面,但尽管经过数十年的研究,这种动态过程最重要的细节仍然难以描述。没有人确切知道闪电是如何开始——或者用闪电的术语来说是“引发”——也不知道它们是如何在云层内部或云层之间传播,或是如何在空中划出曲折、分步的路径从云层到达地面的。

马歇尔和斯托尔岑堡希望通过将他们定制设计的探测器连接到其他四种传感器,捕捉闪电的全生命周期。其中三种传感器已经是KSC闪电预警系统的永久组成部分。每种传感器都探测不同的电磁频率,调谐到闪电放电的特定阶段。将所有传感器在微秒时间尺度上的输入结合起来——这是前所未有的——将使研究人员能够捕捉到闪电放电的发生、加速和电荷移动的过程。

他们希望这些数据最终能帮助形成一个关于闪电行为的普遍理论。作为一个更直接、更实际的目标,马歇尔和斯托尔岑堡希望测试KSC的监测系统在任何给定风暴中是否都能可靠地记录下所有发生的闪电。早期研究的证据表明,在传感器过载的时刻,一些闪电会悄悄溜过而不被注意到。

尽管科学家们研究的对象同时充满了美和恐怖,但他们的测量工作涉及许多琐碎的职责:将汽车电池搬进搬出设备安装点,晚上给电池充电,以及连续数周每天重复这个过程。今天的现场视察带我们首先来到航天中心边缘的梅里特岛国家野生动物保护区。途中,我们遇到了美国鱼类及野生动物管理局为清除灌木或控制害虫而设置的几种大片着火的区域。闪电研究人员以一种充满希望的眼光看待这些烧焦的地面:也许燃烧产生的烟雾会引发闪电。但事与愿违。

梅里特岛的闪电探测设备 housed 在一个大的黄色金属储物柜里,上面有两个像鼓组上高帽镲一样的天线,还有一个写着“危险高压”的警示牌。一个天线是“快”的,另一个是“慢”的。两者都测量单次事件的电荷量。快和慢是相对而言的,因为闪电的一切都发生得很快:快速天线(工作频率为 500 kHz)以微秒尺度检查场,而低频慢速天线(工作频率为 10 kHz)以毫秒尺度检测浪涌。

密西西比大学研究生苏马德·卡拉纳拉思内,他建造了大部分设备并编写了部分计算机代码,打开了黄色的盒子,将昨天的数据下载到一个便携式硬盘上(他会把它带到旅馆并备份四次,以确保不会因为任何意外故障而丢失任何数据)。他的妻子娜迪是一名工程师,她用酒精湿巾擦拭连接天线的表面,以清除盐、灰尘和蜘蛛网等导电物质。本科生劳伦·维克斯,在两年前体验了闪电研究后,将她的专业改为了物理学,她正在更换一对耗尽的电池,换上刚充满电的新电池。

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