一架經過改裝的U2 間諜飛機的最新觀測結果表明，大型熱帶雷暴中產生的伽馬射線的數量和種類令人驚訝。 NASA 衛星最初設計用於探測宇宙高能粒子，但意外地發現了源自地球雷暴的伽馬射線爆發。 隨後，NASA 利用U2 間諜飛機進行的研究發現，這些伽馬射線在雷暴中很常見，表現形式多種多樣，並與雷暴中的電活動有關。 這項發現揭示了一個複雜的動態過程，其中涉及高速電子和核反應，也可能影響閃電的形成。

美國國家航空暨太空總署的ER-2 研究飛機飛越雷暴上空的插圖。 圖片來源：卑爾根大學/視覺山（CC BY 4.0），已編輯

1990 年代，美國國家航空暨太空總署（NASA）為發現來自超新星和其他天體的高能量粒子而建造的衛星發現了一個驚喜–來自地球的高能量伽馬射線暴。

雖然研究人員沒多久就發現這些放射性超電荷粒子來自雷暴，但這種現像如何普遍發生仍然是個謎。 衛星並不是用來發現來自地球的伽馬輻射的，它們必須在正確的時間和正確的地點才能發現伽馬輻射。

多年來，科學家一直使用不理想的平台來完成這項任務，如今，一群科學家獲得了一個機會，讓美國國家航空航天局（NASA）擁有的一架改裝過的U2 間諜飛機飛越風暴上空，以進行適當的觀察。 在10月3日發表在《自然》（Nature）上的兩篇新論文中，研究小組發現，雷暴中產生的伽馬射線比人們想像的要普遍得多，而產生輻射的動力學則蘊藏著尚未解開的謎團。

杜克大學威廉-H-楊格工程學傑出教授史蒂夫-卡默（Steve Cummer）說：”雷暴中發生的事情比我們想像的要多得多。事實證明，基本上所有大雷暴都會以多種不同的形式整天產生伽馬射線。

在熱帶閃電風暴上空執行勘測任務的ER-2 研究飛機。 資料來源：美國國家航空暨太空總署

雷暴如何產生高能量伽瑪射線閃爍背後的一般物理學原理並不神秘。 當雷暴發生時，漩渦氣流將水滴、冰雹和冰塊捲入混合物中，產生電荷，就像在襯衫上摩擦氣球一樣。 帶正電荷的粒子最終到達風暴的頂部，而帶負電荷的粒子則落到底部，從而形成一個巨大的電場，其強度相當於1 億節AA 電池端對端地疊放在一起。

當其他帶電粒子（如電子）發現自己處於如此強大的電場中時，它們就會加速。 如果它們加速到足夠高的速度並碰巧撞擊到空氣分子，就會撞出更多的高能量電子。 這個過程層層遞進，直到碰撞產生的能量足以產生核反應，產生極強、極快的伽馬射線、反物質和其他形式的輻射。

但這並不是雷暴伽瑪輻射故事的結尾。 在雷暴附近飛行的飛機也曾看到雲層中發出微弱的伽瑪輻射光。 這些風暴似乎有足夠的能量產生伽馬輻射的低空煨焰，但有什麼東西阻止了它像爆裂的玉米粒那樣產生爆炸性的爆發。

庫默說：”一些飛行器試圖找出這些現像是否常見，但結果不一，在美國上空的幾次飛行根本沒有發現任何伽馬輻射。這個計畫旨在徹底解決這些問題。”

研究小組獲得了美國國家航空暨太空總署ER-2 型高空機載科學飛機的使用權。 這是一架冷戰時期遺留下來的改裝U2 間諜飛機，飛行高度是商用飛機的兩倍，距離大多數雷暴上空約三英里。 它的速度也非常快，使研究小組有機會準確地選擇他們認為最有可能產生結果的雷暴。

挪威卑爾根大學太空物理學教授兼該計畫的首席研究員尼古拉-厄斯特加德（Nikolai Østgaard）說：”ER-2飛機將是觀測雷雲伽馬射線的終極平台。以20 千米（12.4 英里）的高度飛行，我們可以直接飛越雲頂，盡可能接近伽馬射線源。

由於ER-2是完美的解決方案，而且研究小組將飛越合適的風暴，研究人員認為，如果這些現像很罕見，那麼他們幾乎看不到任何現象。 但如果這些現像很常見，那麼他們就會看到很多。

在一個月的時間裡，ER-2 在佛羅裡達南部熱帶地區的大型風暴上空飛行了10 次，其中9 次觀測到了這種模擬伽馬輻射，其動態程度也超出了預期。

卑爾根大學物理與技術系教授馬蒂諾-馬裡薩爾迪說：”伽馬射線發光雷雲的動態與以前的準靜態發光圖像截然相反，在模式和行為上都更像一個巨大的伽馬射線發光沸騰鍋。

考慮到熱帶地區典型雷暴的規模比其他緯度地區的雷暴大得多，這表明熱帶地區一半以上的雷暴都具有放射性。 研究人員推測，這種低水平伽馬輻射的產生就像一鍋水中沸騰的蒸汽一樣，限制了內部能量的累積。

同樣令研究人員興奮的是，他們也發現了許多來自同一場雷暴的短暫伽瑪射線暴。 其中一些與美國宇航局衛星最初探測到的伽馬射線爆發非常相似。 這些現象幾乎總是與活躍的閃電放電同時發生。 這表明，閃電產生的大電場很可能對已經很高能的電子進行了增壓，使它們能夠產生高能量核反應。

但是，至少還有另外兩種類型的短伽馬射線暴是以前從未見過的。 其中一種短得令人難以置信，不到千分之一秒，而另一種則是在大約十分之一秒的時間裡重複出現的一連串大約10 個單獨的伽瑪射線暴。

庫默說：”這兩種新形式的伽馬輻射是我覺得最有趣的。”它們似乎與閃電的發展無關。 它們是以某種方式自發性的。 這些數據暗示，它們實際上可能與引發閃電的過程有關，而這對科學家來說仍然是一個謎。 “

美國國家航空暨太空總署阿姆斯壯的ER-2 飛機在高空飛行，研究閃電。 資料來源：美國國家航空暨太空總署

如果有人擔心自己會被這些伽瑪輻射變成綠巨人，那大可不必。 只有當人或物體離輻射源很近時，產生的輻射量才會有危險。 “如果你發現自己在那裡，輻射將是你最不需要擔心的問題。 由於極度的湍流和狂風，飛機會避免在活躍的雷暴中心飛行，」庫默說。 “即使知道了我們現在所了解的情況，我也不會比以前更擔心飛行了。”

編譯自/ scitechdaily