【物理好好玩S2EP04】從閃電到氣候變遷—2021年諾貝爾物理獎介紹

文、聲音|張嘉泓
(東方IC)

根據估計,每天地球上會有40000個雷雨發生,每個雷雨每分鐘可以發生數次的閃電。地表的負電,會因大氣電流而漸漸流失,但透過閃電就可以一再的充電。閃電現象原來是一個超大型的電充,大氣層就是一個電氣裝置,聲音、亮光只是附帶穿插的娛樂而已。

春假的天氣總是給人平靜的感覺,怡然自在卻又百無聊賴。當真是太陽底下已經沒有新鮮事了。但別忘了大自然也有超乎尋常、令人畏懼的一面。除了地震,我會更想到閃電,那一種震懾,令人覺得進入了完全不同的世界。樹枝狀的銳利光路,充滿怒氣,從上向下把天空直接撕裂。刺眼強光映在密佈的烏雲上,龐大的天空瞬間亮了起來。閃電真的讓人感到,有一股天上的力量,正顯現它的榮光、或憤怒。無怪乎,所有文明都有關於閃電的神話,更別忘了,最潮的漫威裡面,最有力的人物就是雷神索爾了。

但到了十七世紀,啟蒙運動的思想家卻勇敢而果斷的主張,太陽底下真的沒有新鮮事。只要你能好好利用人的理性去分析,這些看似驚人、超越自然的現象,背後其實是非常日常的道理。這有時被稱為「除魅」、有時被稱為「去神話」,總之就是人可以獨立作主、不再需要看不見、說不清的力量。我們現在一般都把閃電的除魅歸功於富蘭克林,這位美國開國元老,其實是一位全方面的思想家。他在年輕時,曾有一段時間密集的致力於電學的實驗。從日常的摩擦生電現象,我們已經知道電有兩種:同性相斥,異性相吸。富蘭克林進一步發現,兩個物體摩擦後,會帶不同的電,此時如果彼此碰觸,有時會發出火花,然後電性就消失了。於是他提出主張,這兩種物體所帶不同的電,其實是正電與負電。意思是摩擦時,電從其中一個物體流到了另外一個,總和並不變、還是零。而接觸導致電性正負抵消,就是電又流了回去,而流動激烈時可以發出火花。現在我們已經知道負責傳輸的、是帶負電的電子。當電子被拉走了,原子剩餘的部分就會帶正電,我們稱為離子。

 

閃電是正電荷與負電荷,抵消後所發出的火花

這時,很多研究者都注意到,電性抵消時發出的火花,與閃電的現象有點神似。富蘭克林自己就提出了十大理由,例如兩者形狀都很怪異、都可以殺死動物等等。但、推想是一回事,如何在實驗上確定,這可沒有那麼容易。於是富蘭克林提出了大膽的風箏實驗,這裡我們得先加上警語,這是一個很危險的實驗,小朋友千萬別在家自己嘗試。1752年六月,在費城一個多雲的天氣,富蘭克林在兒子的協助之下,將風箏施放到雲層底下。風箏上另外別了一條潮濕、可以導電的麻線,下垂到地面,並繫上一把金屬的鑰匙。當烏雲飄過,富蘭克林注意到比較絕緣的風箏線上,細絲開始豎起,這時電應該已透過濕的麻線,大量從烏雲上被引導下來了。他把手靠近麻線上的鑰匙,兩者之間果然產生了顯示電流通過的火花。一切都如預期,唯一的奇蹟,應該是富蘭克林竟然沒有被電死,可能當時還沒真的開始打雷吧,同樣的實驗在歐洲可是造成好幾起死亡事件。他接著從鑰匙將天上來的電,引入一個絕緣儲存瓶裡,經過實驗,性質果然完全等同於摩擦所產生的電。於是,在這歷史性的一刻,實驗證實了,一般日常的靜電與來自天上閃電的電,完全相同。如同牛頓力學,確定了地面的蘋果,與天上的星辰遵守同樣的物理定律,富蘭克林的實驗再一次肯定了,物理原則是普遍適用的。

因此,閃電是正電荷與負電荷,抵消後所發出的火花。但閃電要發生,正負電荷還是得先被分開。很奇妙的,地球表面是持續帶著負電,而大氣層上空是帶著正電的。這樣的情況能持續,其實不太合理。如果是這樣,那麼地球的大氣層,等於是一直接在一個電池的正負極之間,兩極之間如同一般的電池,從高空一直到地面,是有電壓的。測量的結果:在一個晴空萬里的平原上,每一公尺的大氣電壓就有100伏特。我常開玩笑,在我的鼻子與腳之間接一個燈泡,應該會亮才對。可惜人體本身就是導體,地表的負電會流入身體,遍布於表面,就破壞了原來存在的電壓。那麼,大氣層上下之間有電壓,一般就會有電流。空氣本身雖然是絕緣體,但還是有一定的導電度,經過一段時間之後,地表的負電荷就會慢慢向上流,悄悄無聲無息的抵消掉大氣層的正電荷,電池就耗盡了。這個大氣電流的確被量到了,每平方公尺是兆分之一安培,但地表面積很大,大氣電流的總值可以達到2000安培,這是家用電線最大容量10安培的200倍。地表的負電荷,根據計算只要十分鐘就耗盡了。那為什麼地表的負電可以一直維持呢?換句話說,大氣層連接的這個電池是如何重新充電的呢?答案就是雷雨雲與閃電。

 

整條不規則的樹狀導流,瞬間一起亮了起來

雷雨雲多半是在海上生成,然後飄到各處。海洋上濕潤的空氣,被高溫水面加熱,熱空氣急速向上運動,就形成了所謂雷雨雲。科學家觀察到,在雷雨雲的下半部會聚集很多的負電荷,它的成因還沒有完全確定,以下是一個較被接受的推測。話說濕氣中的水蒸氣上升到一定高度,就開始凝結成冰的結晶。冰晶很輕,繼續往上飄,水氣會開始凝結在上面,形成較大、又較重的冰霰,它們通常會往下落。於是,在雷雨雲的中央,往下落的霰會遇到往上飄的冰晶,發生大量撞擊。這個過程如同摩擦生電一樣,在這時的濕度溫度條件下,霰會得到負電荷,繼續往下落,撞擊後持續上飄的冰晶則帶正電。這個現象大規模的發生,因此雲團下方會累積大量負電荷,而正電荷則飄到雲團上方。

於是雷雨下方有極多負電荷聚集,在雲層與地表之間,產生數千萬伏特的電壓。如此高的電壓,使附近的空氣開始解體,分子內的電子與殘餘的離子分離,出現可以導電的空氣柱,長度大約數十公尺左右。負電荷通過空氣柱聚集到前端,停頓一下後,又會向下再射出一截,這一步一步前進的導電空氣柱,就稱為「步進導流」。導流呈不規則延展,有時還會分叉,形成如樹枝狀的樣式。導流的最前端,充滿了雲上流下來的負電荷,當它觸及突出的金屬、或導電的地面時,雲團底部與地面間就出現了一條通路。於是,從接觸點開始,如同好不容易攻破城門的前鋒部隊,負電荷會大量湧入地面,接著後方包括雲團上的負電荷,就繼續跟進,這等同於極大的電流由接觸點往回流,就稱為回閃擊。一般常識都想當然爾,以為閃電是向下打,但實際上導電是由下方接觸點開始,向上發生的,嚴格說閃電是向上打的。只是這個先後時間差極小,我們視覺上看到的,就是整條不規則的樹狀導流,瞬間一起亮了起來。每一次閃電,流過的電流高達一萬安培左右。大量電流流過,如同一般電線會發熱,通道內的溫度可以達到上萬度。這樣的高溫,宛若燈絲,就會發出強光,這就是閃電。通道旁的空氣,在高溫下瞬間膨脹,向外推擠,就發出巨大音波聲響,這就是雷。

 

氣候變遷與天文學比較接近,是一個觀測性的科學

閃電所造成的效應,就是為地面補充了大量的負電荷。根據估計,每天地球上會有40000個雷雨發生,每個雷雨每分鐘可以發生數次的閃電。所以前面提到地表的負電,因大氣電流而漸漸流失,但透過閃電就可以一再的充電。閃電現象原來是一個超大型的電充,大氣層就是一個電氣裝置,聲音、亮光只是附帶穿插的娛樂而已。

了解了這個細膩的機制之後,閃電這個現象,現在變得如此透明,毫無神秘性與新鮮感。大自然在人類的面前,慢慢揭露了所有原先潛藏的秘密。不需要一個超越的力量,大自然就能自己運作了,果然非常自然。於是我們漸漸由熟悉,到習以為常,進而覺得人類可以支配並控制自然:既然我們如此了解它,要如何利用、開發它的資源,人類應該都有辦法應付才對。這種天真一直維持到最近,突然之間,大自然越來越不可測,致災性的溫度、雨水,越來越頻繁,去年,從德國、中國大陸的罕見豪雨,到美國南部的驚人低溫,每一件都超越專家的理解與掌握。突然之間,大自然開始又變得有點陌生、有點可怕。我們可能還不完全了解它。

或許這轉變也沒有這麼突然,科學家已經早就預測到了這樣的結果。化石燃料燃燒產出二氧化碳,造成溫室效應加劇,使得地球溫度顯著上升,因而影響大自然氣候的平衡,瞬時變化當然跟著加劇。氣候變遷對地球天氣的影響,日益明顯,環境科學漸漸成為顯學,但也同時與許多群眾運動牽扯在一起。為了宣傳,科學的結果常被誇張扭曲。而有時候,引用科學資料的人,並不注意科學預測,本質上就有不確定性。於是,宣揚不精準的類科學,反而使得許多聲音可以振振有詞的否認,氣候變遷真的是一個問題。畢竟,氣候變遷與天文學比較接近,是一個觀測性的科學,意思是我們只能面對地球上已經發生的結果去作觀測。不像一般科學是實驗的科學,科學家可以控制一個一個的變因,再進行實驗了解變因與結果的關係。這一件事在氣候變遷研究上是做不到的,我們不能把人類先去除,過了五十年,再試一試地球的溫度是否增加。因此到底是什麼原因,造成今日的結果,如何在氣候變遷科學上,作出嚴謹又經得起檢驗的陳述,對科學家來說是很大的挑戰。

 

真鍋淑郎的模型成了後來氣候變遷研究的原型

但氣候變遷真的是科學,如果嚴謹的對待,它是有堅實的科學原理支持的。去年諾貝爾物理學獎得主有三位,其中兩位的學術頭銜或教職都是在氣候學系。起初物理學家當然覺得有些錯愕,但回頭想想,也是美事一樁。在二十世紀初,科學家已經知道了,太陽光照射到地面,地面吸收了熱能之後,自己會放出紅外線,將熱能又放射回到太空。一進一出、兩者抵消,地表就平衡在一個固定的溫度。但經過計算,這個溫度只有零下五十度,顯然與事實不符。科學家很快發現,這是因為大氣層中的溫室氣體,特別是二氧化碳與水蒸氣,會吸收地表發出的紅外線,然後再向著上下、又放射出來。向下放射的那些紅外線,就會照在地表上而對地表加熱。簡單說,地球是蓋著一層溫室氣體形成的棉被,這就是所謂的溫室效應。在這一層棉被加持保溫下,地表溫度維持平均在攝氏20度左右。所以直覺的推測:改變溫室氣體的量,應該會影響地表溫度。但影響有多大,就很難確定計算了。

氣候是一個複雜系統,涉及許多物理過程,可能影響結果的因素非常多,各個因素彼此聯動、充滿反饋效應。要了解它,得有先入為主的猜想,挑出不重要的因素加以簡化,形成一個模型,計算之後與觀測比對,才能驗證我們對氣候的理解。日裔美國人真鍋淑郎,就是這方面的先驅者。在1960年代,真鍋率先發展了地球氣候的物理模型,同時將氣體垂直流動,以及不同高度的溫度,放進上述熱平衡條件中一起考慮。真鍋的模型有點像日本的工藝,很優雅、又極簡。模型的計算結果,果然預測增加大氣中二氧化碳的含量,會進而增加水蒸氣的含量,加乘的效應,造成可觀的地表溫度上升。這個模型成了後來氣候變遷研究的一個原型。

 

人類的影響是造成已觀察到的地表增溫,最主要的原因

氣候變遷的複雜性還有一個難題,在這許多互相影響的因素中,要將因與果連接非常麻煩。不要忘記,在大氣二氧化碳含量緩慢增加的同時,不時會有火山爆發,森林火災、乾旱或暴雨等各式各樣的短期天氣變化。德國的氣候學家哈塞曼注意到這些影響氣候的要素,有的變化很慢,例如海洋的溫度,有的變化很快,像局部的天氣、風速、空氣溫度等等。哈塞曼開創了一個方法,將這些快速混雜的變化用噪音來處理。對毫無規則的噪音,科學家事實上已經有一定的了解,可以引入隨機的數學來模擬。把這樣的隨機要素引進到氣候模型後,科學家就能計算長程氣候變遷的資料數據,例如地表溫度、海洋溫度,以及數據的變異數。如此就可以建立長程的氣候,與短期的天氣之間的關係。這整套氣候模型,發展得非常精細又有力,好像一台高級德國跑車。哈塞曼計算,將人為因素加入以隨機來處理的自然因素之後,模擬所得的地表溫度,比起只有自然因素的地表溫度,在2000年高出整整0.5度,而這個比較高的值正就是實際觀測的結果。因此科學家可以很有信心,而且清楚地說:人類的影響是造成已觀察到的地表增溫,最主要的原因。簡單說,真的是人類的錯。

當氣候變遷造成的問題越來越迫切,我們越需要扎實的以科學嚴謹的態度來面對自然,畢竟這是我們當年與自然開始互相了解時,使用的態度。我們得回到富蘭克林的精神:冷靜、客觀、面對事實、讓理性發揮功能。哈塞曼是這樣說的:「主要的難題,是如何讓大眾知道,這個問題是可以面對的。我們有足夠的科學與技術,只要努力投資、開發這些科技,對生活有適當的改變,我們是可以解決氣候變遷問題的。」

或許,這就是要了解自然,然後與自然相處吧。

下一次我們將介紹:是什麼樣未解的問題,讓粒子物理學家睡不著覺,需要安眠藥。

更新時間|2022.04.12 02:58

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