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仅一个雷云就携带10亿伏的电力

2019-3-23@艾米 0 评论

当本杰明·富兰克林把一把钥匙绑在一只风筝上并将它飞进一场闪电风暴中时,他短暂地成为了插入地球上最强发电机的装置。

正如大多数人所做的那样,富兰克林知道雷暴雨非常强大。一个多世纪以来,研究人员一直试图准确地估计其威力有多大,但总是出现不足–即使是最先进的机载传感器也不足,因为雷云太大,无法测量。

现在,3月15日发表在《物理评论快报》杂志上的一篇论文中,印度Ooty的研究人员得益于一些宇宙射线的帮助,提出了一个令人震惊的新答案。

研究小组使用一组传感器测量电场和μ介子的强度,μ介子是一种重粒子,它们不断地从地球上层大气中落下,在经过物质时会衰变。研究小组测量了2014年12月1日在Ooty上空翻滚18分钟的巨大雷云的电压。研究人员发现,云的平均电荷量约为1.3千兆伏,是10^9伏的1.3倍,大约是北美典型电源插座的1000万倍。

仅一个雷云就携带10亿伏的电力

研究报告的共同作者,印度塔塔基础研究所的宇宙射线研究员Sunil Gupta说“这解释了为什么雷云如此具有破坏性,如果你通过任何东西消耗这么多的能量,它将导致严重的破坏。”

Gupta和他的同事们主要研究μ介子 – 当宇宙射线撞击地球大气层中的各种原子时产生的类电子粒子。这些粒子的自旋约为电子的一半,但重量是它们的200倍,非常擅长穿透物质。只要有足够的能量,从大气层落下的μ介子只需几分之一秒即可深入海洋或地下数英里。

有东西挡道时,μ介子就会失去能量,比如说金字塔。在2018年初,科学家通过在(金字塔)结构周围设置μ介子探测器并测量粒子在哪里丢失(并且没有损失)能量,在吉萨大金字塔内发现了两个以前未知的房间。穿过金字塔石墙的μ介子比穿过大而空的房间的μ介子损失更多的能量。研究结果让研究人员能够在不进入金字塔内部的情况下,绘制出金字塔内部的新地图。

Gupta和他的同事用类似的方法绘制了Ooty雷云内部的能量图。然而,不是与石头竞争,落在云层中的μ介子面临着动荡的电场。

Gupta说“雷爆顶部有一个带正电的层,底部有一个带负电荷的层。如果一个带正电的μ介子在从高层大气层下雨时撞击云层,它就会被排斥并失去能量。”

研究人员使用一系列μ介子检测传感器和四个电场监测器分布在几英里的范围内,测量了通过雷云的μ介子和未通过雷云的μ介子之间下降的平均能量。通过这种能量损失,该团队能够计算出粒子在雷云中通过了多少电势。这是巨大的!

Gupta说“20世纪20年代科学家估计,雷云在可能具有千兆伏特的潜力,但它从未得到证实,直到现在。”

一旦研究人员知道云的电势,他们就想更进一步,精确测量雷云在Ooty上空咆哮时携带的能量。

该团队使用来自广泛分布的电场监测器的数据,填补了一些关于云的重要细节 – 即在海拔7英里(11.4公里)的高度以大约40英里/小时(60公里/小时)的速度行进,估计面积为146平方英里(380平方公里,面积约为曼哈顿的六倍),并在出现后仅6分钟达到最大电位。

Gupta说:“凭借这些知识,研究人员终于能够计算出雷雨携带了约2千兆瓦的电力,使得这一片云比世界上最强大的核电站更强大。这里存储的能量足以满足像纽约这样的城市26分钟的所有电力需求,前提是你可以利用它。利用现有技术,这是一个不太可能的前景:这种风暴消耗的能量非常大,可能会熔化任何导体。”

尽管如此,雷暴的强大潜力可能有助于解决像Gupta和他的同事几十年来一直在问的宇宙谜团:为什么卫星有时会探测到地球大气层爆发的高能γ射线,当它们应该从太空降下来时?

根据Gupta的说法,如果雷暴雨确实会产生大于1千兆伏特的电位,它们还可以足够快地加速电子以破坏大气中的其他原子,从而产生伽马射线闪光。

Gupta说,这种解释需要更多的研究来验证其准确性。与此同时,一定要惊叹于你看到的下一个雷云,因为它是一种不可思议的大自然力量 – 而且,请在放风筝之前三思而后行。

本文源自 Live Science ,由米粮仓 艾米 基于创作共用协议(CC BY-NC)发布。

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