在许多工程领域中，工程师对闪电都长期保持高度警惕，原因再清楚不过了：一次雷击可能就会造成严重的结构破坏、引发房屋或森林火灾，甚至带来强烈的电涌(图1)。
图1：雷击的强度总是令人震撼，虽然持续仅毫秒，但电流可高达数十万安培。(来源： Science Daily)
即使闪电并非直接击中设备 (若直接击中，多半已彻底损毁)，其在附近导线与路径中感应出的瞬变也可能造成损害，对电子设备造成毁灭性破坏。令人困惑的是，闪电对人体的影响并不一致：有人被击中后几乎毫发无伤，有人则留下短期或长期的后遗症，而对另一些人……结果往往不言而喻。
测量与防护的挑战
因此，如何降低闪电影响，一直是系统设计中的核心课题。常见的保护措施包括：
避雷针：提供接地的低阻抗通路，成为近乎无限的电子接收器。
气体放电管 (GDT)
金属氧化物压敏电阻 (MOV)
不过，这些防护组件在多次雷击后功能会逐渐衰退，导致保护能力下降。
闪电虽多出现在暴风雨的天气中，但也曾在火山爆发、剧烈森林大火，甚至地表核爆中被观测到。市面上流传有许多关于闪电电压、电流与温度的数据，虽然没有”标准波形”，但 图2 提供了一个具代表性的电流变化曲线，最大电流可达数十万安培。
图2：雷击电流随时间变化的代表性数据。(来源：Kingsmill Industries Ltd.)
研究与猜想
数十年来，研究人员采用各种方式探索闪电：从实验室制造人造闪电、到在易受雷击区进行现场测量，甚至通过发射导线至雷云中诱发雷击。虽然人类曾多次尝试捕捉并储存闪电的能量，但始终徒劳无功。这种幻想在文学与电影中却屡见描绘：
《科学怪人》(Frankenstein，1931) ：博士的科学怪人靠闪电获得生命；
《回到未来》(Back to the Future，1985) 中，主角通过钟楼上的避雷针捕获闪电能量，为DeLorean时光机充电。
闪电的标准解释可见于维基百科：“闪电是由雷云内部的静电积聚引发，当冰晶与水滴在积雨云的湍流中碰撞，导致电荷分离；一旦电位差过大，就会放电，伴随强光与雷鸣。”
然而，这真的是全貌吗？或许只是误导？ 几十年来，科学家早已掌握闪电释放的机制，但究竟是什么在云层中引发了放电，始终是一道未解之谜。显然，这不只是单纯静电能量到达击穿临界点那么简单。
宾夕法尼亚州立大学的新模型
如今，这个谜团或许有了答案。美国宾夕法尼亚州立大学的研究团队为此提出了新的完整解释：闪电的成因不仅是静电能量的释放，而是由宇宙射线、X 射线与高能电子交织而成的复杂物理过程。
这项研究提出并验证了一个模型，涉及多个新名词与现象，包括：初始击穿脉冲(IBP)、窄带双极事件(NBE)、云内能量脉冲(EIP)、地面伽马射线闪光(TGF)、闪烁伽玛射线闪光(FGF)以及初始电场变化 (IEC)。
研究团队收集了历史上与闪电相关的数据(这类数据来源众多，资料量相当庞大)与当前的测量数据，提出假设，进行数据关联、模型建立与仿真，并将这些成果组合起来。最终得到了一个合理的解释，虽然对于像闪电这样的自然现象而言，永远无法百分之百确定，但这套模型似乎与观测事实高度吻合。
由该校电气工程教授 Victor Pasko 为主导的研究团队解释了雷雨云内部强烈电场如何加速电子。这些高速电子与氮气、氧气等分子碰撞，进而产生X射线，并引发大量新电子与高能光子的快速涌现。这种连锁反应创造了形成闪电所需的条件，揭示了X射线、电场与电子雪崩物理之间的关联。
电子雪崩与X射线的角色
研究团队指出，雷云中的强电场会加速电子，使其与氮气、氧气分子碰撞，产生X射线并引发连锁反应。这些高速电子辐射出的X射线会向四面八方散射，其中部分逆向辐射的X射线，会经由光电效应生成新的种子电子，进一步放大电子雪崩效应，最终引发闪电。
为了验证这套解释，研究团队通过数学建模来模拟大气事件，并与科学家在实地观测到的现象进行比对。这些观测涉及地球大气中的光电效应过程，其中高能电子受到来自宇宙射线的触发，并在雷雨云的强电场中倍增，释放出短暂爆发的高能光子。这一过程被称为地球伽玛射线闪光(terrestrial gamma-ray flash)，其特征是自然发生、不可见的X射线爆发，并伴随超高频(VHF)辐射脉冲(图3)。
图3：概念图显示了从快速正击穿(FPB)到快速负击穿(FNB)转换的条件，根据相对论反馈阈值E0/δ与最小负向streamer传播电场E—cr/δ之间的关系。(来源：Pennsylvania State University)
研究团队展示了电子如何在雷云中被强电场加速，并在与氮、氧分子碰撞后产生X射线，进而引发电子雪崩，生成大量高能光子，最终触发闪电。他们将这些模型结果与实地观测比对，后者来自其他研究团队使用地面传感器、卫星以及高空侦察机收集的数据，并成功对应至模拟雷云中的条件。
这的确是极为艰深的研究，而其成果已发表于《Journal of Geophysical Research》期刊，论文题为“Photoelectric Effect in Air Explains Lightning Initiation and Terrestrial Gamma Ray Flashes”。(个人小小意见：虽然用光电效应(photoelectric effect)一词在技术上正确，但这容易让人直接联想到爱因斯坦1905年的经典论文，可能会造成混淆。)
尽管这项研究主要针对闪电的物理起源，与工程师如何设计雷击耐受系统并无直接关联，但仍具启发性。它提醒我们：即使在现代科学的高度发展下，对这种常见的自然现象，我们仍未能掌握所有答案。换句话说，基础科学仍有许多等待揭开的谜团。
你是否曾参与过需要具备雷击耐受能力的设计？在过程中遵循了哪些标准？采用了哪些技术与组件？又是如何验证其可靠性的呢？
责编：Ricardo