20世紀(jì)90年代，美國國家航空航天局(NASA)用來探測來自超新星和其他天體的高能粒子的衛(wèi)星，意外地發(fā)現(xiàn)了來自地球的高能伽馬射線爆發(fā)。

雖然研究人員沒有花很長時(shí)間就確定這些高能伽馬射線來自雷暴，但這種現(xiàn)象發(fā)生的頻率仍然是個(gè)謎。人造衛(wèi)星并不是為了尋找來自地球的伽馬輻射而建造的，它們必須在正確的時(shí)間、正確的地點(diǎn)才能做到這一點(diǎn)。

多年來，科學(xué)家們一直在用不太理想的平臺進(jìn)行觀測，終于有機(jī)會駕駛美國宇航局(NASA)擁有的U2間諜飛機(jī)進(jìn)行改裝，飛越風(fēng)暴，進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠^測。在發(fā)表在《自然》雜志上的兩篇新論文中，研究小組發(fā)現(xiàn)，雷暴中產(chǎn)生的伽馬輻射比任何人想象的都要普遍得多，產(chǎn)生這種輻射的動(dòng)力學(xué)是一個(gè)有待解決的謎團(tuán)寶庫。

杜克大學(xué)(Duke University)威廉·h·楊格(William H. Younger)杰出工程教授史蒂夫·卡默(Steve Cummer)是這兩篇論文的合著者，他說，“雷暴中發(fā)生的事情比我們想象的要多得多。”“事實(shí)證明，基本上所有的大雷暴全天都會以多種不同的形式產(chǎn)生伽馬射線?！?/p>

雷暴如何產(chǎn)生高能伽馬射線的一般物理原理并不是一個(gè)謎。隨著雷暴的發(fā)展，旋轉(zhuǎn)的氣流將水滴、冰雹和冰混合在一起，產(chǎn)生電荷，就像在襯衫上摩擦氣球一樣。

帶正電荷的粒子最終到達(dá)風(fēng)暴的頂部，而帶負(fù)電荷的粒子則下降到底部，形成一個(gè)巨大的電場，其強(qiáng)度相當(dāng)于1億個(gè)AA電池端對端堆疊起來。

當(dāng)其他帶電粒子(如電子)發(fā)現(xiàn)自己處于如此強(qiáng)的場中時(shí)，它們就會加速。如果它們加速到足夠高的速度，碰巧撞上空氣分子，它們就會產(chǎn)生更多的高能電子。這一過程不斷發(fā)生，直到碰撞有足夠的能量產(chǎn)生核反應(yīng)，產(chǎn)生極其強(qiáng)烈和極快的伽馬射線、反物質(zhì)和其他形式的輻射。

但這并不是雷暴伽馬輻射故事的結(jié)束。在雷暴附近飛行的飛機(jī)也看到了來自云層的微弱伽馬射線。這些風(fēng)暴似乎有足夠的能量產(chǎn)生低水平的伽馬輻射，但有些東西阻止了它產(chǎn)生像爆裂的玉米粒那樣的爆炸性爆炸。

卡默說:“一些飛機(jī)試圖弄清楚這些現(xiàn)象是否普遍，但結(jié)果好壞參半，美國上空的幾次飛行根本沒有發(fā)現(xiàn)任何伽馬輻射。”“這個(gè)項(xiàng)目旨在一勞永逸地解決這些問題?！?/p>

該研究小組獲得了NASA ER-2高空機(jī)載科學(xué)飛機(jī)的使用。它是冷戰(zhàn)時(shí)期遺留下來的U2間諜飛機(jī)的改裝版，飛行高度是商用飛機(jī)的兩倍，在大多數(shù)雷暴上空約3英里。它的速度也非?？?，讓研究小組有機(jī)會選擇他們認(rèn)為最有可能產(chǎn)生結(jié)果的雷暴。

“ER-2飛機(jī)將成為雷雨云伽馬射線的終極觀測平臺，”挪威卑爾根大學(xué)空間物理學(xué)教授、該項(xiàng)目的首席研究員尼古拉?stgaard說?！霸?0公里(12.4英里)的高空飛行，我們可以直接飛越云頂，盡可能接近伽馬射線源?！?/p>

因?yàn)镋R-2是完美的解決方案，研究小組將飛越正確的風(fēng)暴，研究人員認(rèn)為，如果這些現(xiàn)象很罕見，那么他們幾乎看不到任何現(xiàn)象。但如果它們很常見，那么它們就會看到很多。

他們看到了很多。

在一個(gè)月的時(shí)間里，ER-2在佛羅里達(dá)州南部熱帶地區(qū)的大風(fēng)暴上空飛行了10次，其中9次對今年夏天的伽馬輻射進(jìn)行了觀測，這也比預(yù)期的更加動(dòng)態(tài)。

伯根大學(xué)物理學(xué)和技術(shù)教授Martino Marisaldi說:“伽馬發(fā)光雷云的動(dòng)力學(xué)與以前的準(zhǔn)靜止發(fā)光圖像截然相反，在模式和行為上都類似于一個(gè)巨大的伽馬發(fā)光沸騰鍋?！?/p>

考慮到熱帶地區(qū)典型雷暴的大小比其他緯度地區(qū)的風(fēng)暴大得多，這表明熱帶地區(qū)一半以上的雷暴都是放射性的。研究人員推測，這種低水平的伽馬輻射的產(chǎn)生就像蒸汽從一壺水中沸騰一樣，限制了內(nèi)部可以積累的能量。

同樣令研究人員興奮的是，他們看到了許多來自同一雷暴的短時(shí)間和強(qiáng)烈的伽馬射線爆發(fā)的例子。其中一些與美國宇航局衛(wèi)星最初探測到的完全一樣。這些幾乎總是與活躍的閃電放電同時(shí)發(fā)生。

這表明，閃電產(chǎn)生的大電場很可能對已經(jīng)很高的電子進(jìn)行了增壓，使它們能夠產(chǎn)生高能量的核反應(yīng)。

但至少還有兩種其他類型的短伽馬射線爆發(fā)是以前從未見過的。其中一種非常短，不到千分之一秒，而另一種則是大約10個(gè)單獨(dú)爆發(fā)的序列，在大約十分之一秒的時(shí)間內(nèi)重復(fù)。

“這兩種新形式的伽馬射線是我最感興趣的，”Cummer說。“它們似乎與閃電的產(chǎn)生無關(guān)。它們以某種方式自發(fā)出現(xiàn)。數(shù)據(jù)中有跡象表明，它們實(shí)際上可能與引發(fā)閃電的過程有關(guān)，這對科學(xué)家來說仍然是個(gè)謎。”

卡默補(bǔ)充說，如果有人擔(dān)心被所有這些伽馬輻射變成綠巨人，他們不應(yīng)該擔(dān)心。只有當(dāng)一個(gè)人或物體非常接近輻射源時(shí)，產(chǎn)生的輻射量才會有危險(xiǎn)。

“如果你發(fā)現(xiàn)自己在那里，輻射將是你最不關(guān)心的問題。由于極端的湍流和風(fēng)，飛機(jī)避免在活躍的雷暴中心飛行，”卡默說。“即使知道了我們現(xiàn)在所知道的，我也不會比以前更擔(dān)心飛行?！?/p>