自古以來， 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， 這一自然現象在許多的文化中都被解讀成是神的傑作——中國的雷公電母， 印度教裡的因陀羅， 希臘神話中的宙斯和挪威神話中的雷神索爾。
雷暴能引發一系列的現象， 最常見的有斷電、冰雹、還有寵物躲進床底下。 但事實證明， 關於雷暴我們仍有一些需要瞭解的事。 在《自然》雜誌上發表的一項新的研究顯示[1]， 雷暴還可以通過觸發大氣中的核反應產生放射性。
這可能聽起來像一個巨大的科幻小說式災難的陰謀論， 但事實上這並不可怕。 自20世紀初以來， 科學家就注意到了電離輻射（可破壞細胞的粒子和電磁波）從太空流入地球大氣層。
這種輻射能與原子或分子反應， 攜帶足夠的能量將電子從原子或分子中釋放出來， 從而留下一個帶正電荷的“離子”。
就在一個多世紀以前， 奧地利物理學家維克托·赫斯（Victor Hess）在離地球表面5公里上空的熱氣球上進行了電離測量。 結果發現， 隨著高度的增加， 電離率會迅速增長，
1936年， 他因這一發現成為那年諾貝爾物理學獎的獲獎者之一， 這種輻射被後人稱為“宇宙射線”。
我們現在知道宇宙射線是由帶電粒子組成的， 主要是電子、原子核和質子， 而質子又與中子一起構成原子核。 有些源自於太陽， 還有一些來自星系中死亡恒星的爆炸——即超新星。 當這些宇宙射線進入地球大氣層時， 它們與原子和分子相互作用， 產生亞原子粒子流， 其中就包括不帶電荷的中子。
正是這些中子， 使“放射性碳定年法”成為可能。 大多數碳原子的原子核中具有6個質子， 還有6或7個中子， 分別被稱為同位素碳-12(¹²C)和碳-13(¹³C)。 但是宇宙射線產生的中子可與大氣中的氮發生反應， 產生碳-14(¹⁴C)。 這是一種重、且不穩定的碳同位素， 隨著時間的推移， 它會“放射性衰變”（發射輻射時分裂）成氮(N)。
在自然界中， 碳-14是非常罕見的， 一萬億個碳原子中大約只有一個。 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，並隨著植物的吸收進入食物鏈。
當一個生物體死亡並停止攝取碳時，生物體中碳-12與碳-14的比例將開始改變，已經在系統中的碳14會開始衰變。這是一個緩慢的過程，因為碳-14的放射性半衰期長達5730年之久。但這是可預測的，我們可以通過測量碳-12與樣品中餘下的碳-14的比例，來計算生物體的年齡。
這樣一來，宇宙射線就是製造地球大氣層中核反應的始作俑者。直到今天，我們還以為這是產生如碳-14這樣的放射性元素的唯一天然方式。當 “核”一字與與“彈”或“廢料”這些詞搭配在一起時，聽起來總是那麼危險和邪惡，其實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家和氣象學家查理斯·威爾遜（Charles Wilson）就提出[2]，雷暴也可能引發大氣層的核反應。威爾遜在英國最高的山峰本尼維斯峰頂的氣象觀測站進行了實地考察，他對雷雲的形成和大氣電學十分著迷。可惜的是，當時的物理學還無法支持威爾遜的想法。例如，我們知道中子是核反應的產物之一，因此只要從雷暴中探測到這些粒子就能支持威爾遜的提議。但是直到1932年，中子才被發現，因此他的建議無法被檢驗。
自威爾遜以來，已經有許多研究聲稱發現了雷暴中產生的中子[3-7]，但沒有一個提供了堅實的證據。其他一些研究則專注於尋找伴隨在雷雲中因閃電而產生的高能電子雪崩的強電磁輻射（X射線和伽瑪射線）。計算表明，這些電子和伽馬射線可以將中子從大氣中的氮氣和氧氣中分離出來。但是，儘管已經觀測到X射線和伽馬射線，卻從來還沒能直接觀測到在雷暴發生後的核反應。
在最新發表的論文裡，研究人員採用了不同的方法，與其尋找捉摸不定的中子，他們將注意力放在核反應裡的其他副產物。如果電子和伽馬射線導致了氮和氧的不穩定同位素在雷擊之後的核反應中形成，它們應該在幾分鐘後就會衰變成碳和氮的穩定同位素。
最關鍵的是，這種衰變還能產生正電子，即電子的反粒子。所有的粒子都有相應的反粒子，它們品質相同，但是電荷相反。當物質和反物質相遇的時候，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器俯瞰日本海，觀察到冬季低雲雷電後，立即出現因正電子-電子湮滅而產生的清晰的伽馬射線的蹤跡。這是雷雲中發生了核反應的明顯證據。
這些結果是很重要的，因為它們展示的是一種之前未知的地球大氣中的同位素來源。包括碳-13、碳-14和氮-15，未來的研究還可能揭示更多，如氫、氦和鈹的同位素。
這些發現對天文學家和行星科學家也具有啟示意義。雷暴誘發的核反應在其他行星（比如木星和金星）的大氣中也可能發生，因此可能對這些大氣的同位素組成有所貢獻。然而，要確定這些貢獻的大小將需要更詳細地對這些行星上的雷暴進行伽瑪射線和中子的觀測。研究人員還發現，中子在雷電產生的等離子體之外形成，這表明這些中子並不能提供與等離子有關的資訊，這與預期相反[8]。
撰文：Jim Wild（蘭卡斯特大學空間物理教授）
編譯：二宗主
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，並隨著植物的吸收進入食物鏈。當一個生物體死亡並停止攝取碳時，生物體中碳-12與碳-14的比例將開始改變，已經在系統中的碳14會開始衰變。這是一個緩慢的過程，因為碳-14的放射性半衰期長達5730年之久。但這是可預測的，我們可以通過測量碳-12與樣品中餘下的碳-14的比例，來計算生物體的年齡。
這樣一來，宇宙射線就是製造地球大氣層中核反應的始作俑者。直到今天，我們還以為這是產生如碳-14這樣的放射性元素的唯一天然方式。當 “核”一字與與“彈”或“廢料”這些詞搭配在一起時，聽起來總是那麼危險和邪惡，其實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家和氣象學家查理斯·威爾遜（Charles Wilson）就提出[2]，雷暴也可能引發大氣層的核反應。威爾遜在英國最高的山峰本尼維斯峰頂的氣象觀測站進行了實地考察，他對雷雲的形成和大氣電學十分著迷。可惜的是，當時的物理學還無法支持威爾遜的想法。例如，我們知道中子是核反應的產物之一，因此只要從雷暴中探測到這些粒子就能支持威爾遜的提議。但是直到1932年，中子才被發現，因此他的建議無法被檢驗。
自威爾遜以來，已經有許多研究聲稱發現了雷暴中產生的中子[3-7]，但沒有一個提供了堅實的證據。其他一些研究則專注於尋找伴隨在雷雲中因閃電而產生的高能電子雪崩的強電磁輻射（X射線和伽瑪射線）。計算表明，這些電子和伽馬射線可以將中子從大氣中的氮氣和氧氣中分離出來。但是，儘管已經觀測到X射線和伽馬射線，卻從來還沒能直接觀測到在雷暴發生後的核反應。
在最新發表的論文裡，研究人員採用了不同的方法，與其尋找捉摸不定的中子，他們將注意力放在核反應裡的其他副產物。如果電子和伽馬射線導致了氮和氧的不穩定同位素在雷擊之後的核反應中形成，它們應該在幾分鐘後就會衰變成碳和氮的穩定同位素。
最關鍵的是，這種衰變還能產生正電子，即電子的反粒子。所有的粒子都有相應的反粒子，它們品質相同，但是電荷相反。當物質和反物質相遇的時候，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器俯瞰日本海，觀察到冬季低雲雷電後，立即出現因正電子-電子湮滅而產生的清晰的伽馬射線的蹤跡。這是雷雲中發生了核反應的明顯證據。
這些結果是很重要的，因為它們展示的是一種之前未知的地球大氣中的同位素來源。包括碳-13、碳-14和氮-15，未來的研究還可能揭示更多，如氫、氦和鈹的同位素。
這些發現對天文學家和行星科學家也具有啟示意義。雷暴誘發的核反應在其他行星（比如木星和金星）的大氣中也可能發生，因此可能對這些大氣的同位素組成有所貢獻。然而，要確定這些貢獻的大小將需要更詳細地對這些行星上的雷暴進行伽瑪射線和中子的觀測。研究人員還發現，中子在雷電產生的等離子體之外形成，這表明這些中子並不能提供與等離子有關的資訊，這與預期相反[8]。
撰文：Jim Wild（蘭卡斯特大學空間物理教授）
編譯：二宗主