科学家终于破解闪电触发机制之谜

在7月28日发表于《地球物理研究杂志》的研究中，作者阐述了如何确定雷暴云中的强电场会加速电子撞击氮和氧等分子，从而产生X射线并引发大量二次电子和高能光子——这正是孕育闪电的完美风暴。

"我们的发现首次为自然界闪电的起源提供了精确的定量解释，"帕斯科表示，"它将X射线、电场与电子雪崩的物理机制联系了起来。"

该团队通过数学模型验证并解释了地球大气中的光电现象实地观测结果——当由外太空进入大气的宇宙射线引发的相对论能量电子在雷暴电场中倍增时，会释放短暂的高能光子爆发。这种现象称为地面伽马射线闪光，包含不可见的自然X射线爆发及伴随的无线电辐射。

"通过模型模拟复现实地观测条件，我们完整阐释了雷暴云内部存在的X射线和无线电辐射，"帕斯科指出，"我们证明了雷暴云强电场加速的电子撞击氮、氧等空气分子时产生X射线，并引发电子雪崩，这些电子产生的高能光子最终触发了闪电。"

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收集的实地观测数据与模拟雷暴云环境进行匹配。

"我们阐释了光电事件的发生机制、触发电子级联所需的雷暴云条件，以及闪电发生前在云层中观测到的各类无线电信号的成因，"佩尔韦兹说，"为验证闪电起源理论，我将结果与既往模型、观测研究及本人对紧凑云间放电（通常发生于雷暴云局部小范围区域）的研究进行了对比。"

帕斯科与合作者2023年发布的"光电反馈放电"模型，模拟了闪电可能产生的物理条件。建模所用方程已在论文中公开，供其他研究者使用。

除揭示闪电起源外，研究者还解释了为何地面伽马射线闪光常在不伴随闪光和无线电爆发（雷暴天气中闪电的典型特征）的情况下产生。

"模型中，相对论电子雪崩产生的高能X射线通过空气中光电效应生成新种子电子，迅速放大雪崩效应，"帕斯科解释，"这种失控链式反应不仅发生在极紧凑空间内，且强度变化极大，常产生可探测的X射线，同时伴随极微弱的光学和无线电辐射。这解释了为何伽马射线闪光可从光学昏暗且无线电静默的源区产生。"

除帕斯科和佩尔韦兹外，合著者包括：法国奥尔良大学物理学教授塞巴斯蒂安·塞莱斯坦；法国巴黎综合理工学院研究主任安妮·布尔东；美国宇航局戈达德太空飞行中心电离层科学家、宾州州立大学帕斯科课题组前博士后雷扎·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；丹麦技术大学天体物理与大气物理博士后皮埃尔·古尔班。

本研究由美国国家科学基金会、法国国家空间研究中心（CNES）、法兰西大学研究院及捷克国防部资助。

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Journal Reference:

Victor P. Pasko, Sebastien Celestin, Anne Bourdon, Reza Janalizadeh, Zaid Pervez, Jaroslav Jansky, Pierre Gourbin.Photoelectric Effect in Air Explains Lightning Initiation and Terrestrial Gamma Ray Flashes.Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2025; 130 (14) DOI:10.1029/2025JD043897