俗話說，閃電不會擊中同一個地方兩次，而且心急吃不了熱豆腐。
但這兩句話都不對——尤其是當你的“豆腐”是一場巨大的熱帶雷暴，充滿了閃電，而你正從平流層上方遠遠地觀察它時。最近在《自然》雜誌上發表的兩篇研究發現，一些風暴確實像滾開的沸水一樣——釋放出強大的伽馬射線爆發，而不是蒸汽。其中一些排放發生在神秘的、以前未被識別的模式中，即轉瞬即逝的閃爍，似乎會引發普通的閃電放電。
新罕布什爾大學的物理學家約瑟夫·德懷爾說：“閃電如何在雷暴內部開始是一個巨大的謎團，他曾擔任這兩項研究的審稿人。“數十年的氣球和飛機測量未能發現風暴內部存在足夠大的電場來產生火花，但雷暴每天卻能在地球周圍產生超過 800 萬次閃電。我們顯然遺漏了一些重要的東西。這些新的觀察結果可能就是‘那個東西’。”
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科學家們長期以來都知道，雷暴可以產生伽馬射線，這是一種極高能量的光，通常與天體物理現象有關，例如爆炸的恆星和吞噬物質的黑洞。在地球上的暴風雨中，這種排放背後的物理原理相對容易理解：旋轉的、被風吹動的水滴和冰晶在風暴中積聚電荷，帶正電的粒子上升到雲頂，帶負電的粒子下沉到雲底。這導致產生了一個大約 1 億伏特的巨大電場——足以加速風暴內部的電子達到接近光速，使帶電粒子撞擊空氣分子，釋放出更多的電子，並引發級聯碰撞，其能量之高足以最終產生伽馬射線。
研究人員觀察到兩種形式的雷暴伽馬射線輻射：持續數百秒的相對長壽命的“輝光”，以及強度高的、微秒級的爆發，稱為地球伽馬射線閃光 (TGF)，其亮度足以被地球觀測衛星看到。
但科學家們也知道，這幅圖景是不完整的，因為它建立在來自機載和地面儀器的零星讀數之上。“我們仍然對風暴的電氣性質存在很大的不確定性，從雲中粒子如何分離電荷的細節，到閃電起始和通道發展的物理原理，”國家海洋和大氣管理局國家強風暴實驗室的大氣科學家凡娜·赫米列夫斯基說，她沒有參與這項新研究。“鑑於眾多影響因素、即使在單次風暴中也已知的變異性以及可用於驗證的有限觀測資料集，實驗室環境或模型中很難甚至不可能準確捕捉到許多這些過程。”
為了獲得更清晰的視野，在 2023 年，由挪威卑爾根大學的大氣物理學家尼古拉·厄斯特加德和馬蒂諾·馬裡薩爾迪領導的一個團隊，從近距離和高空監測大型風暴的伽馬射線排放，駕駛美國國家航空航天局擁有的改裝 U-2 間諜飛機在加勒比海和中美洲上空飛行了 10 次以追逐雷暴雲團。該計劃名為 ALOFT（機載閃電觀測臺，用於蠅眼靜止軌道閃電測繪儀模擬器和地球伽馬射線閃光），構成了迄今為止對雷暴伽馬射線排放進行的最全面和最集中的空中監視。
美國宇航局的高空 ER-2 飛機（一架改裝的 U-2 間諜飛機）搭載儀器，用於記錄來自雷暴雲的伽馬射線（圖中紫色僅為示意），這是 ALOFT 任務的藝術家印象圖。
美國宇航局/ALOFT 團隊
杜克大學的電氣工程師、這兩項研究的合著者史蒂夫·卡默說：“ALOFT 的設計目的是試圖明確回答‘這些伽馬射線閃光和輝光是常見的還是罕見的？’這個問題。“它確實不負眾望……伽馬射線的產生過程比我們想象的要重要得多。”
飛行揭示了預期的輝光和 TGF，但也發現了更多：這兩種現象都被證明比預測的更為普遍，其中大多數 TGF 都足夠暗淡，以至於逃過了任何 надзирающих 衛星的注意。輝光也不像預期的那樣從風暴中孤立的區域穩定地發出，而是在大約 100 公里寬的區域內，以輻射激增的方式持續數小時。在數百起記錄事件中，研究人員還瞥見了一些新的東西——所謂的閃爍伽馬射線閃光 (FGF)，即持續數毫秒的發射脈衝尖峰，似乎從輝光中湧出。厄斯特加德說，最令人感興趣的是，“所有瞬態伽馬射線事件之後都伴隨著強烈的閃電。”
研究人員說，這些高能事件的活力和巨大數量暗示，其源頭的電子雪崩除了刺激閃電產生外，還起到限制雷暴大規模電場的作用。“雷暴正在產生如此多的電離輻射，以至於它們在某些區域部分放電，導致電場在風暴內的其他區域飆升，”德懷爾說。“這些電場增強可能足以引發閃電。”
馬裡薩爾迪說，總而言之，ALOFT 的結果描繪了一幅新的、更細緻的圖景，需要進行後續研究。“帶電粒子在雷暴雲中加速到相對論能量，伽馬射線是其代表，這是一個內在且非常普遍的過程，至少在對流熱帶雲中是這樣，”他說。“我們的觀察結果提出了一個有趣的假設：發光的雷暴雲可能是閃電起始的先決條件。輝光可以在不穩定的現象中區域性演變——例如 FGF 和 TGF——從而導致閃電的發生。我們渴望透過另一次飛行活動來檢驗這一假設。”
他說，未來的飛行可以檢查較高緯度風暴的排放，並調查另外兩個主要的閃電熱點地區，即位於中非和東南亞的地區。