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雷暴附近發生著一系列化學反應過程。這篇來自《科學美國人》德國版的文章指出，其中有許多直到現在才開始被我們更加準確地理解，包括閃電發生時，羥基自由基是如何產生的？
撰文 | 詹姆斯·米切爾·克羅（James Mitchell Crow）
翻譯 | 劉彬
如果說科學家具備成為好萊塢明星的潛力，那麼美國航空航天局（NASA）的DC-8（一架用來追逐風暴的飛機）飛行科學實驗室的研究團隊（包括飛行員）當之無愧。2012年初夏，他們瞄準了美國中部大平原上空的雷暴——這樣的風暴越大越有利於研究。
除了飛行員，沒有缺席每一次飛行的還有化學家和他們的分析儀器。這些飛行任務是美國大型合作項目「深對流雲與化學」（Deep Convective Clouds and Chemistry）的一部分，致力於研究雷暴如何改變大氣的化學成分。研究人員對比了雷暴離開前後的大氣成分，以便研究強對流和閃電對大氣化學成分的影響。他們認為這些結果非常重要，因為這有助於更好地了解雷暴在城市空氣污染或溫室氣體形成中所起的作用。
「飛行員很棒，」美國賓夕法尼亞大學的大氣化學家威廉·布龍（William Brune）回憶道。作為這個項目的科學負責人之一，布龍在多次飛行中都坐在駕駛艙內，決定追蹤哪一場雷暴。飛行員一邊監視著飛機上的雷達，一邊繞著雷暴中心盤旋，並飛入了砧狀雲（雷暴雲的頂部結構）內。「你不能飛到（距離雷暴）太近的地方，但你又必須儘可能靠近，才能儘可能多地觀測到雷暴內部發生的活動。」布龍說，「在這些雷暴周圍盤旋並且進入砧狀雲內就已經非常棒了。」
結果顯示，收集到的數據也同樣令人驚嘆。在幾次飛行中，這支團隊都在雷暴附近發現大氣中羥基自由基濃度驚人地高，比此前對這種活性自由基的所有測量值都高出了幾個數量級。羥基自由基是地球大氣的主要氧化劑，在大氣自清潔中起著關鍵作用。距離最後一次飛行過去近10年後，布龍和他的同事發表了關於羥基自由基濃度高峰值的最新發現：結果表明，閃電對大氣化學成分的影響比以前認為的要大得多。
溫度至關重要
雖然每道閃電只有兩到三厘米寬，但它釋放的能量卻能將周圍大氣加熱到三萬攝氏度——這遠遠高於太陽表面的溫度。一旦閃電擊中地面，一次直接撞擊就能將那裡已經長成的樹木劈裂開。而在空中，一道通常長達5千米的閃電具有同等的破壞力：它會將附近的每一個分子都分解為獨立的原子。這些分子主要是氮氣（N2）和氧氣（O2）分子，即空氣的兩種主要成分。隨著原子冷卻，它們可以與其他原子結合來形成新的分子。
布龍表示：「我們發現，當一次閃電使周圍大氣的溫度飆升至三萬攝氏度時，大氣中會產生一種特殊的化學物質：一氧化氮（NO）。這是一種非常重要的氣體，在多次飛行任務中都被檢測到了。」
溫度對一氧化氮在閃電中的產生起到了決定性作用，但不僅僅體現在使大氣升溫這一階段。大氣也必須在不到一毫秒的時間內極快冷卻，以便使一氧化氮冷卻而穩定存在。否則一氧化氮會被分解為氮原子和氧原子，如此一來，氮原子之間以及氧原子之間就會分別再次結合，形成氮氣和氧氣分子。
閃電發生後，一氧化氮分子還可以與其他氧原子、氮原子，以及其他分子發生多種反應。這些反應的產物中包括兩種重要的化學物質：二氧化氮（NO2）和臭氧（O3）。在全球範圍內，一次閃電可能只會產生微小的影響，但地球上每天都要經歷超過300萬次閃電，它們的影響就隨之累積起來了。
瑪麗·巴思（Mary Barth）是就職於美國科羅拉多州博爾德市美國大氣研究中心的大氣化學家，主要研究雷暴如何影響臭氧的產生與分布。「我們知道，近地面臭氧是一種有害氣體，」她說，「而在對流層上層，雷暴產生的臭氧屬於一種溫室氣體。」
雷暴能夠以多種方式影響臭氧水平。例如，甲醛是空氣污染的常見成分，也是一種臭氧前體物。根據巴思的解釋，由於強對流作用，甲醛會在雷暴期間向上流動，並且部分溶解在雲滴里。其中有一些會變成降雨，從而使甲醛與臭氧這一體系的化學平衡發生移動。
為了了解臭氧在對流層上層作為溫室氣體所發揮的作用，我們就必須先弄清楚閃電發生時產生了多少二氧化氮。因為它是臭氧的重要來源：陽光會將這種分子分解為一氧化氮和一個氧原子，而這個氧原子可以緊接著與另一個氧氣（O2）分子結合形成臭氧。
幾十年來，科學家一直在研究閃電中的氮氧化物（NOx），包括它們是如何形成的，以及一次閃電產生這類化學物質的頻率和數量。但結果仍不明確：根據不同的研究報告，一次閃電能夠產生的氮氧化物的量從32到664摩爾不等。在巴思看來，這個研究領域還很不成熟，具有極大的發展空間。
因此，2012年飛行任務的主要目標之一就在於，更準確地測量閃電產生的氮氧化物。巴思回憶道：「我們會在早上起床後與氣象學家交談，他們會告訴我們當天哪些地區可能有雷暴。」隨後，這支團隊就飛往這些地方，採集那裡的大氣樣本，希望來一場雷暴。
巴思表示：「當我們發現一場風暴來臨時，大家就變得特別興奮。計算機還在採集數據的時候，我們就忙著將它們記錄下來。」有一次飛機甚至被閃電擊中，好在我們很快便用膠帶把洞補上了。
這支團隊將對氮氧化物的量的測量結果，縮小到了此前測量結果的中間範圍：一次閃電產生了142~291摩爾的氮氧化物。不過，想要預測某場雷暴將釋放出多少氮氧化物，以及準確記錄整個過程以便用計算機模型模擬大氣內的化學過程，仍然困難重重。巴思表示：「有時我覺得每場雷暴都各不相同，不過最終我們還是得到了一些共同點。」這樣看來，只計算閃電產生的氮氧化物的平均值可能還不夠。巴思猜測，氮氧化物的量還與閃電的長度有關。此外，根據她的研究團隊的結果，在一場雷暴期間，長度越短的閃電出現得越頻繁。
科學家利用NASA 的研究飛機進行觀測活動，飛機上搭載了多種用於研究雷雲內部和周圍大氣的儀器。（圖片來源：NASA）
夏天一場猛烈的雷暴過後，一切都像被淨化了一樣。隨著閃電散去、雨過天晴，整個世界看起來如同迎來了新生，空氣也仿佛被沖洗得乾乾淨淨。
這一切並非巧合——閃電產生的一氧化氮可以引發後續一連串反應，這不僅會產生更多的臭氧，還會產生大氣中最重要的、可用作清潔劑的氧化物：羥基自由基。它們能夠與多種有害氣體分子發生反應，從而使這些分子氧化，更易溶於水，並最終以雨水的形式落下，例如溫室氣體甲烷、交通或工業廢氣。
羥基自由基在很大程度上影響著大氣中許多化學物質的壽命，無論這些物質是天然存在還是人為排放的。科學家在20世紀70年代首次發現了這一點。「有一段時間，確定（大氣中）羥基自由基的量是研究的重中之重，」布龍回憶道，「每十億個大氣粒子中只有幾十個羥基自由基。因此想要確定它們的濃度非常困難，而且有太多因素會使測量結果出錯。」
尋找羥基自由基
最終，研究人員開發出了兩種方法，以便準確測量大氣中羥基自由基的量。一種方法是基於質譜技術：首先讓羥基自由基與同位素標記的二氧化硫（SO2）反應，形成同位素標記的硫酸，然後通過質譜儀使它們電離並被檢測到。布龍對此表示：「這種方法聽起來很奇怪，但是確實有效。」
另一種方法的依據在於，羥基自由基對特定波長的紫外光具有特徵吸收，並因此發射一定波長的螢光。這也正是布龍所採用的方法。具體來說，研究人員會引導一些大氣樣本通過一個小孔進入一台測量儀，然後用一束調諧至其中一個吸收波長的雷射，轟擊那裡的樣本。這種方法的關鍵在於把握時機。
「來自大氣分子的散射光會在來自羥基自由基的螢光上疊加100萬次，所以我們使用了一種能夠快速打開和關閉的檢測器。」布龍說，「在雷射脈衝期間，我們會將該檢測器關閉，等待100納秒後重新打開，從而捕獲來自羥基自由基的最後一部分螢光信號。」
現在，這個領域的專家已經對大氣中羥基自由基的位置來源了解得十分清楚了。布龍對此解釋道：「針對大氣中羥基自由基的濃度問題，我已經完成了16次飛行任務，以及大約24次其他任務，包括在城市、森林、沙漠和鄉村的高處所實施的任務。如今我們非常了解這種物質在許多不同環境中的化學特性。」
根據這種理解，研究人員推斷羥基自由基不可能產生於閃電中心。正如布龍所解釋的那樣，自由基根本無法在極端高溫下存活：「每個羥基自由基可能都會在幾微秒內被消除。因此，它們很有可能還沒來得及從閃電中心釋放出來就消失了，以至於我們不可能檢測到它們。」
相反，研究人員猜測羥基自由基是間接產生的，具體來說是通過閃電形成的一氧化氮進行後續反應這一過程產生的。但是在飛行任務中，飛機上的雷射誘導螢光測試儀反覆顯示出難以解釋的、對應羥基自由基的螢光峰。更重要的是，這比之前對大氣羥基自由基的所有觀測值都高出幾個數量級。
布龍說：「在一次飛行任務結束後，我總是與坐在飛機機艙後方操作我們儀器的同事交談。」他們會報告自己的觀測結果：「我們在雲端時觀測到了一些明顯的羥基自由基信號，但是我們並不了解它們真正的含義。」然而，當時這支團隊正專注於那次飛行任務的主要目標，因此決定後面再研究這些出人意料的羥基自由基信號。「但是我們再也沒有對這些數據進行分析，直到幾年前的一個夏天，我心血來潮，通過我們新開發的技術，分析了這些信號並發現，這確實是羥基自由基的信號。」
通過將羥基自由基尖峰出現的時間與全美範圍內的閃電數據進行匹配，布龍發現有一些羥基自由基的出現可以與閃電聯繫起來。正如他們所記錄下的數據，有一些光譜尖峰是在機載前置攝像頭拍到閃電後立即出現的。不過，研究人員還無法將大約三分之一檢測到的羥基自由基尖峰與閃電聯繫起來。
於是，研究人員便在實驗室里利用人造閃電，以進一步了解這些觀測結果。布龍說：「結果顯示，我們能夠利用這種火花放電的方式，產生許多羥基自由基。」重要的是，他們發現如果製造閃電的裝置的溫度被調低，以至於無法產生可見火花，他們就檢測到了大量的羥基自由基。
研究人員由此推斷，檢測到的羥基自由基產生於非高溫的火花放電區。「這些放電區域位於高溫放電通道以外，擁有足夠的能量來分解水分子，從而產生我們觀察到的羥基粒子。」布龍總結道，「人們不難理解，雲中會發生多種電荷分離和弱放電過程。其中肯定有不少過程可以產生羥基物種。」
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看不見的閃電
根據這支團隊的測量結果，全球大氣羥基自由基中有16%可能都來自於這種不可見閃電。對此，西班牙安達盧西亞天體物理研究所（Institute of Astrophysics of Andalusia）的弗朗西斯科·戈迪略-巴斯克斯（Francisco Gordillo-Vázquez）評價道，這是一個非常有趣的觀測結果。目前戈迪略-巴斯克斯正在自己的實驗室里做復現實驗，以此驗證布龍團隊的結果。「直到現在，人們都認為這些氧化劑（羥基自由基）是通過閃電產生一氧化氮這一路徑間接產生的。但最近的實驗結果——它們可以直接從閃電中產生——改寫了這種觀點。」
雷暴內部及周圍會發生許多影響大氣化學成分的電現象。而這些肉眼難以看見的閃電只是最近發現的幾種電現象之一。早在20世紀20年代，來自蘇格蘭的諾貝爾獎獲得者查爾斯·威爾遜（Charles Wilson）就推測，高層大氣中會發生一系列發光放電現象。因為那裡的大氣密度更低，會使局部大氣發生電擊穿，由此產生一種被稱作「精靈閃電」（Sprites）的放電現象。
但直到1989年，人們才在美國中西部的一場大雷暴中偶然記錄下了兩道精靈閃電。後來發現，精靈閃電有時可以向上延伸至距離地面近90千米的電離層。根據戈迪略-巴斯克斯的說法，高層大氣放電將對流層和電離層相連接，可以被視作全球大氣電路（電離層與地表構成的閉合迴路）中缺失的部分。
高層大氣的瞬態發光事件（TLEs）是否可以解釋大氣化學中另一個令人費解的觀測結果？研究人員表示：「自20世紀60年代末以來，不時有報導稱雷暴附近大氣中的臭氧濃度突然增加。」這些觀測結果與我們已知的臭氧在閃電中的形成方式相矛盾——我們通常認為臭氧是通過閃電產生的一氧化氮所進行的後續化學反應過程間接形成的。「有人猜測，臭氧水平增加可能是源於閃電本身。」
普通閃電不會直接、立即產生大量的臭氧。那麼奇特的大氣發光現象TLEs，是否是導致觀測區域臭氧濃度增加的直接推手？閃電是一種超高溫放電現象，但瞬態發光事件中的強烈電場卻並不會產生很大能量。「這是了解它們化學特性的關鍵，」戈迪略-巴斯克斯對這一點深信不疑。在實驗室里，這種低溫「電暈放電」（glossary，一種冷放電）可以直接產生大量的臭氧和一氧化二氮，後者被認為是僅次於二氧化碳和甲烷的第三大溫室氣體。
隨著技術的發展，現在我們已經可以觀測大氣中的瞬態發光事件，從而使我們更容易對它們進行研究。大氣科學家組成的研究團隊參與了一項名為大氣-空間相互作用監視器（Atmosphere Space Interaction Monitor，ASIM）的太空任務，該儀器自2018年4月起被安裝在國際空間站上。ASIM已被證明非常擅長檢測雷雲內部的電暈放電現象。研究人員評價道：「ASIM首次讓我們了解到雷雲內部發生的電暈放電的類型，並且記錄下了它們發生的位置和頻率。」
誠然，ASIM無法確定大氣中電暈放電過程產生了哪些化學物質。但科學家已經證實，這些看起來很奇特的電現象其實很普遍。因此，如果它們與實驗室里做過的電暈放電實驗歷經類似的化學反應過程，那麼它們就很有可能是溫室氣體的重要天然來源。然而，正如戈迪略-巴斯克斯所言，這會在多大程度上影響大氣中溫室氣體的化學平衡還有待研究。新一代空氣品質監測衛星即將被發射到美國、歐洲和亞洲上空的地球靜止軌道。它們的監測數據或許能夠解開這個謎題。
更多的數據或許也有助於布龍更準確地估計在全球大氣羥基自由基中，有多少來自於這種不可見閃電。「我們曾飛入7個砧狀雲，收集了能夠得到的全部數據，但除此之外我們沒有更多的數據了。」他說，「如果想要獲得更多數據，你就必須搭乘一架飛機反覆執行飛行任務。飛機上還要搭載更多用於測量電場、電荷和電荷分離的儀器。」另外，你可能還得研究其他地區發生的雷暴，包括大多數閃電出現的熱帶地區。「這是可能完成的事情，但遺憾的是，這項任務不得不暫時被擱置。」
在巴思看來，比較值得做的一件事情是，將新儀器安裝在某一架能夠直接進入雷暴的飛機上，而不是僅僅在雷暴周圍盤旋的飛機。巴思表示：「大多數時候，我們會觀測風暴前後的大氣物質，以此推斷中間階段發生了什麼。」她也補充道：「我想要讓飛機直接穿過雷暴，從而了解雷暴內部的化學成分。」
來源：環球科學（ID：huanqiukexue）