自古以來(lái)，雷電在某種程度上能引起人類的敬畏和恐懼之心。古今中外，這一自然現(xiàn)象在許多的文化中都被解讀成是神的杰作——中國(guó)的雷公電母，印度教里的因陀羅，希臘神話中的宙斯和挪威神話中的雷神索爾。
雷暴能引發(fā)一系列的現(xiàn)象，最常見的有斷電、冰雹、還有寵物躲進(jìn)床底下。但事實(shí)證明，關(guān)于雷暴我們?nèi)杂幸恍┬枰私獾氖?。在《自然》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)新的研究顯示[1]，雷暴還可以通過(guò)觸發(fā)大氣中的核反應(yīng)產(chǎn)生放射性。
○ 京都大學(xué)的一個(gè)研究小組已揭開了由雷暴引起的伽馬射線級(jí)聯(lián)放射的奧秘。| 圖片來(lái)源：Kyoto University/Teruaki Enoto
這可能聽起來(lái)像一個(gè)巨大的科幻小說(shuō)式災(zāi)難的陰謀論，但事實(shí)上這并不可怕。自20世紀(jì)初以來(lái)，科學(xué)家就注意到了電離輻射（可破壞細(xì)胞的粒子和電磁波）從太空流入地球大氣層。這種輻射能與原子或分子反應(yīng)，攜帶足夠的能量將電子從原子或分子中釋放出來(lái)，從而留下一個(gè)帶正電荷的“離子”。
就在一個(gè)多世紀(jì)以前，奧地利物理學(xué)家維克托·赫斯（Victor Hess）在離地球表面5公里上空的熱氣球上進(jìn)行了電離測(cè)量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著高度的增加，電離率會(huì)迅速增長(zhǎng)，這與假設(shè)電離輻射的來(lái)源來(lái)自地面時(shí)會(huì)出現(xiàn)的情況相反。因此赫斯得出結(jié)論：大氣層外必須存在某種穿透力極強(qiáng)的輻射源。1936年，他因這一發(fā)現(xiàn)成為那年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)?wù)咧?，這種輻射被后人稱為“宇宙射線”。
我們現(xiàn)在知道宇宙射線是由帶電粒子組成的，主要是電子、原子核和質(zhì)子， 而質(zhì)子又與中子一起構(gòu)成原子核。有些源自于太陽(yáng)，還有一些來(lái)自星系中死亡恒星的爆炸——即超新星。當(dāng)這些宇宙射線進(jìn)入地球大氣層時(shí)，它們與原子和分子相互作用，產(chǎn)生亞原子粒子流，其中就包括不帶電荷的中子。
○ 模擬：在距離表面20公里的上空，當(dāng)質(zhì)子擊中大氣層產(chǎn)生的宇宙射線流。| 圖片來(lái)源：Wikepedia
正是這些中子，使“放射性碳定年法”成為可能。大多數(shù)碳原子的原子核中具有6個(gè)質(zhì)子，還有6或7個(gè)中子，分別被稱為同位素碳-12(12C)和碳-13(13C)。但是宇宙射線產(chǎn)生的中子可與大氣中的氮發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生碳-14(1?C)。這是一種重、且不穩(wěn)定的碳同位素，隨著時(shí)間的推移，它會(huì)“放射性衰變”（發(fā)射輻射時(shí)分裂）成氮(N)。
在自然界中，碳-14是非常罕見的，一萬(wàn)億個(gè)碳原子中大約只有一個(gè)。但是，除了它的重量和具有放射性之外，碳-14與常見的其他碳同位素基本相同。它能被氧化形成具有放射性的二氧化碳，并隨著植物的吸收進(jìn)入食物鏈。
當(dāng)一個(gè)生物體死亡并停止攝取碳時(shí)，生物體中碳-12與碳-14的比例將開始改變，已經(jīng)在系統(tǒng)中的碳14會(huì)開始衰變。這是一個(gè)緩慢的過(guò)程，因?yàn)樘?14的放射性半衰期長(zhǎng)達(dá)5730年之久。但這是可預(yù)測(cè)的，我們可以通過(guò)測(cè)量碳-12與樣品中余下的碳-14的比例，來(lái)計(jì)算生物體的年齡。
這樣一來(lái)，宇宙射線就是制造地球大氣層中核反應(yīng)的始作俑者。直到今天，我們還以為這是產(chǎn)生如碳-14這樣的放射性元素的唯一天然方式。當(dāng) “核”一字與與“彈”或“廢料”這些詞搭配在一起時(shí)，聽起來(lái)總是那么危險(xiǎn)和邪惡，其實(shí)它指的只是在原子核中所起的變化。
追逐中子
1925年，著名的蘇格蘭物理學(xué)家和氣象學(xué)家查爾斯·威爾遜（Charles Wilson）就提出[2]，雷暴也可能引發(fā)大氣層的核反應(yīng)。威爾遜在英國(guó)最高的山峰本尼維斯峰頂?shù)臍庀笥^測(cè)站進(jìn)行了實(shí)地考察，他對(duì)雷云的形成和大氣電學(xué)十分著迷?？上У氖?，當(dāng)時(shí)的物理學(xué)還無(wú)法支持威爾遜的想法。例如，我們知道中子是核反應(yīng)的產(chǎn)物之一，因此只要從雷暴中探測(cè)到這些粒子就能支持威爾遜的提議。但是直到1932年，中子才被發(fā)現(xiàn)，因此他的建議無(wú)法被檢驗(yàn)。
自威爾遜以來(lái)，已經(jīng)有許多研究聲稱發(fā)現(xiàn)了雷暴中產(chǎn)生的中子[3-7]，但沒(méi)有一個(gè)提供了堅(jiān)實(shí)的證據(jù)。其他一些研究則專注于尋找伴隨在雷云中因閃電而產(chǎn)生的高能電子雪崩的強(qiáng)電磁輻射（X射線和伽瑪射線）。計(jì)算表明，這些電子和伽馬射線可以將中子從大氣中的氮?dú)夂脱鯕庵蟹蛛x出來(lái)。但是，盡管已經(jīng)觀測(cè)到X射線和伽馬射線，卻從來(lái)還沒(méi)能直接觀測(cè)到在雷暴發(fā)生后的核反應(yīng)。
在最新發(fā)表的論文里，研究人員采用了不同的方法，與其尋找捉摸不定的中子，他們將注意力放在核反應(yīng)里的其他副產(chǎn)物。如果電子和伽馬射線導(dǎo)致了氮和氧的不穩(wěn)定同位素在雷擊之后的核反應(yīng)中形成，它們應(yīng)該在幾分鐘后就會(huì)衰變成碳和氮的穩(wěn)定同位素。
○ 由雷暴引發(fā)的核反應(yīng)。新的論文為證明雷暴可以誘發(fā)大氣中的核反應(yīng)提供了確鑿的證據(jù)。例如，研究人員發(fā)現(xiàn)，雷暴能產(chǎn)生高能伽馬射線，將中子從氮-14的原子核中擊出，產(chǎn)生不穩(wěn)定的氮-13同位素。同位素會(huì)衰變成一個(gè)中微子、一個(gè)正電子和一個(gè)穩(wěn)定的碳-13原子核。最后，正電子與一個(gè)大氣分子的電子湮滅，產(chǎn)生一對(duì)伽馬射線，每一個(gè)射線都有一個(gè)特征能量（即0.511兆電子伏特）。| 圖片來(lái)源：[1]
最關(guān)鍵的是，這種衰變還能產(chǎn)生正電子，即電子的反粒子。所有的粒子都有相應(yīng)的反粒子，它們質(zhì)量相同，但是電荷相反。當(dāng)物質(zhì)和反物質(zhì)相遇的時(shí)候，它們瞬間湮滅成能量。這正是研究人員尋找的能量。他們使用放射線探測(cè)器俯瞰日本海，觀察到冬季低云雷電后，立即出現(xiàn)因正電子-電子湮滅而產(chǎn)生的清晰的伽馬射線的蹤跡。這是雷云中發(fā)生了核反應(yīng)的明顯證據(jù)。
這些結(jié)果是很重要的，因?yàn)樗鼈冋故镜氖且环N之前未知的地球大氣中的同位素來(lái)源。包括碳-13、碳-14和氮-15，未來(lái)的研究還可能揭示更多，如氫、氦和鈹?shù)耐凰亍?/span>
這些發(fā)現(xiàn)對(duì)天文學(xué)家和行星科學(xué)家也具有啟示意義。雷暴誘發(fā)的核反應(yīng)在其他行星（比如木星和金星）的大氣中也可能發(fā)生，因此可能對(duì)這些大氣的同位素組成有所貢獻(xiàn)。然而，要確定這些貢獻(xiàn)的大小將需要更詳細(xì)地對(duì)這些行星上的雷暴進(jìn)行伽瑪射線和中子的觀測(cè)。研究人員還發(fā)現(xiàn)，中子在雷電產(chǎn)生的等離子體之外形成，這表明這些中子并不能提供與等離子有關(guān)的信息，這與預(yù)期相反[8]。
撰文：Jim Wild（蘭卡斯特大學(xué)空間物理教授）
編譯：二宗主
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