科学家最终解开了闪电触发机制的谜团

在7月28日发表于《地球物理研究杂志》的研究中，作者们阐述了如何确定雷暴云中的强电场会加速电子撞击氮气和氧气等分子，从而产生X射线并引发大量次级电子和高能光子——这正是孕育闪电的完美风暴。

"我们的研究首次提供了自然界闪电形成机制的精确量化解释，"帕斯科表示，"它将X射线、电场与电子雪崩物理过程之间的关联完整呈现。"

研究团队通过数学模型验证并解释了大气中的光电现象观测数据：当宇宙射线从外太空进入大气层产生的相对论能量电子，在雷暴电场中倍增并释放短暂的高能光子爆发。这种现象称为地面伽马射线闪，包含不可见的自然X射线爆发及伴随的无线电辐射。

"通过模拟复现实际观测条件，我们完整阐释了雷暴云中X射线与无线电辐射的成因，"帕斯科解释道，"我们证明了雷暴云强电场加速的电子撞击氮氧等空气分子时，不仅产生X射线，还会引发电子雪崩效应，这些高能光子正是闪电的起始点。"

电气工程博士生扎伊德·佩尔韦兹利用该模型，将其他研究团队通过地面传感器、卫星和高空间谍飞机采集的观测数据，与模拟雷暴云条件进行匹配验证。

"我们阐明了光电事件的发生机制、触发电子级联所需的雷暴云条件，以及闪电前兆阶段观测到的各类无线电信号成因，"佩尔韦兹说，"为验证闪电起始理论，我将结果与此前模型、观测研究及本人对紧凑云间放电（通常发生在雷暴云局部区域）的研究成果进行了对比。"

帕斯科团队2023年发表的"光电反馈放电"模型，模拟了闪电可能产生的物理条件。论文中公开了构建模型的所有方程式，可供其他研究者直接应用。

除揭示闪电起始机制外，研究者还解释了为何地面伽马射线闪常不伴随风暴天气中闪电典型的光辐射和无线电爆发。

"模型中，相对论电子雪崩产生的高能X射线通过空气光电效应生成新种子电子，使雪崩效应极速放大，"帕斯科指出，"这种失控链式反应不仅发生在极微小空间内，其强度还存在高度可变性——往往产生可检测的X射线，却仅伴随微弱的光电辐射。这解释了为何伽马射线闪的光学暗区和无线电静默源区仍能产生此类现象。"

合作研究者包括：法国奥尔良大学物理学教授塞巴斯蒂安·塞莱斯坦、巴黎综合理工学院研究主任安妮·布尔东、NASA戈达德太空飞行中心电离层科学家（曾为宾州州立大学帕斯科博士后）雷扎·贾纳利扎德、捷克布尔诺理工大学电气工程与通信助理教授雅罗斯拉夫·扬斯基，以及丹麦技术大学天体物理与大气物理博士后皮埃尔·古尔班。

本研究获得美国国家科学基金会、法国国家太空研究中心、法兰西大学研究院及捷克国防部的资助支持。