研究人员多年来一直知道雷暴可以作为小型粒子加速器，生成反物质、伽玛射线和各种核效应。然而，他们对这种现象发生的频率并不确定。最近，由一架改装过的U2间谍飞机进行的观察显示，几乎所有大型雷暴都以各种动态、令人惊讶和未知的方式发出伽玛射线。
在1990年代，NASA的卫星旨在探测来自超新星和天文现象的高能粒子，意外发现了来自我们星球的高能伽玛辐射爆发。
尽管研究人员迅速确定雷暴是这些强大粒子的来源，但这种现象发生的频率仍然不清楚。卫星无法探测来自地球的伽玛辐射，需要准确定位以进行精确观察。
经过数年依赖不理想的平台，一组科学家终于获得机会，利用NASA改装的U2间谍飞机对雷暴进行适当研究。在10月3日发表在《自然》杂志上的两项最新研究中，他们发现雷暴中产生的伽玛辐射远比以前认为的更普遍，并且这种辐射背后的机制包含许多未解之谜。
“雷暴中发生的事情远比我们想象的要多得多，”杜克大学的威廉·H·杨格杰出工程教授及两项研究的共同作者史蒂夫·卡默表示。“事实证明，几乎所有大型雷暴都以多种方式持续产生伽玛射线。”
雷暴产生高能伽玛辐射爆发的基本物理原理是众所周知的。当雷暴发展时，旋转的空气气流将水滴、冰雹和冰推向混合物，产生电荷——类似于在衬衫上摩擦气球。正电荷的粒子上升到风暴的顶部，而负电荷的粒子则下沉到基部，形成一个可测量高达1亿个叠放的AA电池的强大电场。
当地的其他带电粒子，如电子，受如此强电场的影响时，它们会加速。如果它们达到足够的速度并与空气分子发生碰撞，则可以使更多高能电子脱离。这种反应持续级联，直到产生足够的能量进行核反应，导致强烈快速的伽玛射线、反物质和各种辐射类型的闪烁。
然而，雷暴产生的伽玛辐射故事并未止步于此。飞往这些风暴附近的飞机也检测到了从云层中发出的微弱伽玛辐射辉光。尽管这些风暴似乎能够产生低水平的辐射持平，但某种因素阻止它以如同爆米花颗粒的爆炸方式释放。
“之前的空中活动尝试确定这种现象是否普遍，但结果各异，许多在美国的活动未发现伽玛辐射，”卡默指出。“我们的项目旨在明确回答这些问题。”
研究小组获得了NASA的ER-2高空航空科学飞机的使用权。该飞机是冷战时期的改装U2间谍飞机，飞行高度是商业航班的两倍，大约在大多数雷暴上方三英里。其高速使得团队能够仔细选择他们预计会产生成果的雷暴。
“ER-2是观察雷雨云中伽玛射线的终极平台，”挪威卑尔根大学的空间物理教授及项目负责人尼古拉·奥斯特加德解释道。“在20公里（12.4英里）的高度飞行时，我们可以直接飞过云顶，尽量靠近伽玛射线源。”
考虑到ER-2的能力，研究人员假设如果这些事件是稀有的，他们不会观察到许多发生。相反，如果它们是常见的，他们可能会看到大量的事件。
他们确实观察到了大量的事件。
在为期一个月的研究中，ER-2对位于佛罗里达南部的热带大型雷暴进行了10次飞行；其中9次飞行检测到了这种低水平的伽玛辐射持平，令人惊讶的是，变化比预期的更多。
“这些发射伽玛射线的雷雨云的动态与先前对静态辉光的观点截然不同，现在在模式和活动上更像是一个大型沸腾的锅，”卑尔根大学物理与技术教授马尔蒂诺·马里萨尔迪表示。
考虑到典型热带雷暴的规模，通常比其他纬度的风暴大得多，这表明热带地区超过一半的雷暴正在产生辐射。研究人员提出，这种低水平的伽玛辐射就像从水锅中蒸汽逸出，调节着内部能量的积累。
此外，团队兴奋地检测到来自同一雷暴的众多短暂强烈伽玛辐射爆发。一些爆发与NASA卫星检测到的爆发极为相似。这些爆发主要出现在活跃的闪电放电旁，表明闪电产生的强大电场可能增强了已经高能的电子，导致它们启动强大的核反应。
此外，研究人员还注意到至少两种先前未见的短伽玛辐射爆发。一种类型持续时间少于千分之一秒，而另一种包含约十个单独的爆发，重复大约十分之一秒。
“这两种新的伽玛辐射形式特别引人兴趣，”卡默表示。“它们似乎与正在发展的闪电放电无关，而是自发出现。初步数据表明，它们可能与触发闪电的过程有关，这是科学家们仍在努力理解的现象。”
针对伽玛辐射可能带来的潜在危险，卡默保证，产生的辐射水平不会构成威胁，除非人们极其靠近源头。
“如果你靠近源头，辐射将是你最少的担忧——飞机因严重的湍流和风而避免飞行在活跃的雷暴核心内，”卡默表示。“现在我们所知道的，我对飞行没有比以前更多的担忧。”
这项研究得到了欧洲研究委员会的资助，属于欧盟第七框架计划（FP7/2007-2013）/ERC补助协议编号320839，以及挪威研究委员会根据合同223252/F50（卓越中心）和325582的资助。
