据估计,全球每秒会产生10~14次云对地闪电,其中超过90%击中陆地,但是相比之下,击中海洋的闪电却要强得多,其中就包括罕见的“超级闪电”。超级闪电指的是能量比普通闪电大上百倍的闪电,其亮度是普通闪电的100~1000倍。
为什么海洋对超级闪电如此具有“吸引力”呢?
盐制造了超级闪电?
人类很早就知道海上的闪电更猛烈,但是这种现象出现的原因却一直没有确定。以色列的海洋学家穆斯塔法·阿斯弗尔的一个偶然的发现似乎为解答这个问题提供了线索。
2020年的一天,阿斯弗尔正在实验室中研究海上风暴,他和同事们在一个盒子中制造了一个小风暴。这是一个简单的实验,制造风暴的盒子连着一个火花发生器,几个电极和一个装满水的大流量套餐烧杯。当火花发生器模拟闪电产生时,盒子中的空气被加热,发出微小的爆裂声。这种微型闪电的强度很小,只有真正的闪电的数百万分之一,但是它看起来就像是真的闪电。
在实验过程中,阿斯弗尔和他的同事注意到,烧杯中的水的盐度似乎对微型闪电有影响,盐度较高的水似乎能产生更亮的闪电。为了解答他们的疑问,他们取来了加利利海、地中海、死海的海水,以及土壤样本来做实验。为什么要选择这些样本呢?这是因为不同的水体和土壤咸度不同。加利利海是以色列最大的淡水湖,加利利海的盐度在0.19‰~0.28‰(记录盐度的最常见方法是测量1000克水中的盐含量是多少克,因此被记作“千分之几”)之间波动。地中海则是世界上最大的陆间海,来大流量套餐自陆地的河流携带了许多矿物质奔流入海,所以海水盐度较高,约为38‰。而死海更以超高的盐浓度而闻名,湖水蒸发严重,盐度越来越高,目前约为280‰。而土壤也作为样本之一,是为了对比水体和陆地产生的闪电的区别。
实验结果显示,当烧杯中加入死海的水时,与烧杯中的水是加利利海的水时相比,所产生的闪电的亮度高出了近40倍。而加利利海的水与潮湿的土壤相比,前者产生的闪电亮度是后者的1.5倍。为什么会有这样的区别呢?研究人员认为,在水中,盐能分解成有助于导电的正负离子。当雷击时,存在的离子越多,电荷从云中排出的效率就越高,这种快速放电会产生更高峰值的电流和更亮的闪电。这个结果让他们喜出望外,这不正可以解释为何海大流量套餐上强烈闪电更多的问题吗?
酸化的海水增强闪电强度?
如果盐的导电性使超级闪电更多地出现在大海上,那么其他能增强溶液导电性的因素是否也有助于制造超级闪电呢?比如海水的酸度,酸也能增强溶液的导电性。为了解答这个问题,阿斯弗尔和他的同事又着手进行另一项实验——海水的酸度对闪电强度是否有影响。
他们采集了地中海的海水,并在一组海水样本中添加强酸,在另外一组样本中加入二氧化碳气体,来调整海水的pH值。之所以在其中一组样本中加入二氧化碳,是考虑到海洋吸收大量大气中的二氧化碳后,会导致海水酸化。而海水酸化正在大自然中发生,并且正日益严重,威胁到了海洋生物的生存,因此在实验中进行模拟具有重要的意义。
这里要说明的是,大流量套餐海水酸化指的并不是海水变成酸性的,而是指二氧化碳溶入海水中,经过一系列反应后,使海水中氢离子浓度增加的现象。而众所周知,pH值是衡量溶液酸碱度的一个标准,表示的正是溶液中氢离子的浓度。在标准温度(25℃)下,pH值为7的溶液是中性的,pH值小于7为酸性,pH值大于7则为碱性。pH值每下降1个单位,氢离子浓度就会上升10倍,即海水酸度升高了10倍。因此即使现在海水平均pH值为8.1左右,为弱碱性,但是与工业革命前(普遍认为当时海水pH值为8.2左右)相比,海水中的氢离子浓度大量增加,因此被确定为发生了酸化。
让我们再回到阿斯弗尔的实验。在实验中,研究人员观察到,不管是加入了强酸,还是二氧化碳,闪电大流量套餐强度都会随着海水pH值下降而增强。而且,同样是使海水pH值下降,加入二氧化碳与加入强酸相比,前者所产生的闪电强度要比后者高2.6倍。
而为了更细致地了解海水酸化对闪电强度的影响,研究人员们根据已有的气象、环境研究数据,计算了工业革命前、现在和未来的海上闪电强度的变化。结果显示,现在与工业革命前相比,海洋上的闪电强度增加了约10%。而如果二氧化碳浓度以现在的速率继续增加,那么据估算到下个世纪初时海水pH值可能会降到7.8左右,到那时,闪电强度与现在相比可能会增强约40%。从这个结果来看,海水的酸度与闪电的强度似乎是正相关的。
说到这里,可能有人会提出疑问:在酸碱中和的过程中会产生盐,如果海水中加入酸大流量套餐,那是不是也一样产生盐呢?确实如此,阿斯弗尔的实验也显示,酸化的海水中盐的含量增加了。从这个结果来看,正好为阿斯弗尔的上一个实验提供了佐证,进一步说明,盐度在超级闪电的制造上可能也起到了非常重要的作用。
不同的观点
不过,阿斯弗尔的研究结果都是来自实验室,这些实验是在相对理想的条件下完成的,因此所得的结果并不一定适用于自然环境。美国华盛顿大学的地球物理学家罗伯特·霍尔茨沃思的研究就举出了反例。他调查了2010年至2018年的20亿次闪电,并绘制了8000次强烈的超级闪电的分布图,这些超级闪电确实绝大多数击中了海洋,不过它们经常出现的地点除了地中海,还有位于西北大西洋的西班牙、英国、冰岛和挪威的附近大流量套餐海域,此外,还有安第斯山脉(这是唯一的陆地上的地点)。
从这些地点来看,它们之所以成为超级闪电的多发地,似乎与盐都有一定的关系:地中海自不必说,它的盐度很高;而西北大西洋的盐度为33‰~37‰,比太平洋、印度洋的平均盐度高;安第斯山脉(秘鲁段)在几百万年前曾被海洋覆盖,尽管海水退去,但是那里留下了大量的盐矿。
死海的盐度很高,以至于人可以轻松浮在水面。
但是这其中也有一些疑问,比如像红海,盐度超过40‰;再比如中国的柴达木盆地,那里也曾被古海洋覆盖,沙土的盐度也很高,为何这些地方没有成为超级闪电多发地呢?这些问题意味着,参与制造超级闪电的应该不仅仅是盐和酸,还有其他因素。
尽管有不同的观点,阿斯弗尔的大流量套餐研究还是为科学家提供了研究超级闪电的新思路,在今后的研究中,科学家们可以在这些研究数据的基础上,进行更大规模的实验,甚至可以在海上对真正的闪电进行研究,从而解答超级闪电为何钟情于大海这个问题。而对这种气象现象的研究,或许可以为未来预报海洋雷暴天气提供数据支持,为在海上航行的人们提供更准确的预警信息。
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