專家答疑

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宇宙射線會引起閃電嗎?——B. Whiteside,伍德里奇,伊利諾伊州

佛羅里達理工學院物理學和空間科學教授約瑟夫·R·德懷爾也有同樣的疑問

雖然一些研究人員提出宇宙射線會引發閃電,但包括我在內的其他人對這一理論表示懷疑。目前,這場辯論尚未定論。


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數十年來對雷暴內部的測量未能發現足以自發引發閃電的足夠大的電場。莫斯科列別捷夫物理研究所物理學家亞歷克斯·V·古列維奇及其合作者於 1992 年提出的一種機制表明,高能宇宙射線(起源於爆炸的恆星)產生的大量高能粒子簇射的運動可能觸發閃電的巨大能量釋放。為了使古列維奇的機制發揮作用,必須有許多帶電粒子同時穿過風暴。由於僅靠宇宙射線簇射無法產生足夠多的此類粒子,古列維奇推測,雷暴透過一種稱為失控擊穿的過程增加高能粒子的數量,從而增強了宇宙射線簇射。

失控擊穿發生在宇宙射線粒子撞擊大氣中的空氣分子時,撞擊出高能電子。當這些噴射出的電子與其他空氣分子碰撞時,它們會產生更多的失控電子以及 X 射線和伽馬射線,從而導致高能粒子的雪崩,撕裂雲層。根據古列維奇模型,這種級聯是引發閃電的催化劑。

我們知道,失控擊穿對於雷暴內部的低電平電場確實有效。透過觀察從雷暴中射出的大量 X 射線和伽馬射線爆發,我們也知道這有時發生在閃電發生之前。但對宇宙射線的提議仍然存在懷疑。(事實上,一些理論涉及由其他來源引發的失控擊穿。)主要的絆腳石是,閃電必須形成一個導電通道才能傳播。這個通道非常熱,寬度只有幾釐米,就像一根金屬線,允許巨大的電流透過。由宇宙射線引起的失控擊穿產生的大而彌散的放電如何導致如此狹窄、熾熱的通道仍然不清楚。

三塊小骨頭如何將聲音放大到內耳?——P. Madsen,紐約州布魯克林

塔夫茨大學薩克勒研究生生物醫學科學學院神經科學助理教授道格拉斯·E·維特回答:

中耳的錘骨、砧骨和鐙骨(也分別稱為錘骨、砧骨和鐙骨,統稱為聽小骨)排列成槓桿系統。它們的槓桿能力,加上振動能量從較大的鼓膜集中到小得多的鐙骨,有效地傳遞了使我們能夠聽到聲音的力量。

中耳聽小骨位於鼓膜和耳蝸(螺旋形管道,其毛細胞將聲音傳遞到內耳)之間。內耳充滿了液體,因此我們的聽覺系統必須將空氣傳播的聲音振動傳遞到該液體中。如果沒有這些聽小骨,只有大約 0.1% 的聲音能量會進入內耳——其餘的會像陸地上的人在水下聽到聲音一樣從表面反射回來。

當受到聲音振動時,鼓膜會使中耳聽小骨運動起來。錘骨的一端附著在鼓膜上,另一端與砧骨形成鉸鏈。砧骨的另一端與鐙骨融合。鐙骨的底板——類似於實際鐙骨中的腳踏板的扁平部分——鬆散地附著在耳蝸中稱為卵圓窗的開口處,它像活塞一樣來回移動。這種運動將放大的振動傳遞到充滿液體的內耳,從而向大腦發出聲音事件的訊號。

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大眾科學 Magazine Vol 298 Issue 4本文最初以“專家答疑”為標題發表於大眾科學雜誌 第 298 卷第 4 期 (), 第 114 頁
doi:10.1038/scientificamerican0408-114
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