在雷暴高峰時，手機信號塔，電話桿和其他高導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的尖端會自發(fā)發(fā)出藍光。當(dāng)導(dǎo)電物體周圍的空氣被帶電的環(huán)境短暫電離時，會產(chǎn)生這種電暈，稱為電暈放電。

幾個世紀(jì)以來，水手們在海上暴風(fēng)雨期間觀察到船桅桿頂端的電暈放電。他們在水手的守護神之后創(chuàng)造了圣埃爾莫大火現(xiàn)象。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在大風(fēng)條件下，電暈放電可以增強風(fēng)的強度，隨著風(fēng)進一步使空氣帶電，其發(fā)出的光更加明亮。這種風(fēng)引起的激增主要在電氣接地的結(jié)構(gòu)中觀察到，例如樹木和塔樓?，F(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的航空工程師已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)對未接地物體(例如飛機和某些風(fēng)力渦輪機葉片)的作用相反。

在麻省理工學(xué)院的萊特兄弟風(fēng)洞于2019年拆除之前進行的最后一些實驗中，研究人員將飛機機翼的不接地電氣模型暴露在越來越強的陣風(fēng)中。他們發(fā)現(xiàn)風(fēng)越強，電暈放電越弱，產(chǎn)生的輝光越暗。

研究小組的結(jié)果發(fā)表在《地球物理研究雜志：大氣》上。該研究的主要作者是麻省理工學(xué)院航空與航天學(xué)助理教授卡門·瓜拉·加西亞(Carmen Guerra-Garcia)。她在麻省理工學(xué)院的合著者是資深研究科學(xué)家Ngoc Cuong Nguyen。Theodore Mouratidis，研究生;曼努埃爾·馬丁內(nèi)斯·桑切斯(Manuel Martinez-Sanchez)，航空和航天系任職教授。

電動摩擦

在暴風(fēng)云中，摩擦?xí)鄯e以產(chǎn)生額外的電子，從而產(chǎn)生可以一直到達地面的電場。如果該場足夠強，它可以分解周圍的空氣分子，將中性空氣變成帶電的氣體或等離子。這個過程通常發(fā)生在尖銳的導(dǎo)電物體(例如細(xì)胞塔和翼尖)周圍，因為這些尖銳的結(jié)構(gòu)傾向于集中電場，使電子從周圍的空氣分子被拉向尖銳的結(jié)構(gòu)，從而留下正向的面紗帶電的等離子體立即圍繞鋒利的物體。

一旦形成了等離子體，等離子體中的分子就可以通過電暈放電過程開始發(fā)光，在此過程中，電場中的多余電子會朝著該分子發(fā)出乒乓球，從而使其陷入激發(fā)態(tài)。為了擺脫那些激發(fā)態(tài)，分子發(fā)射出一個光子能量，該光子的波長對于氧和氮而言，對應(yīng)于圣艾爾摩火的特征性藍光。

在先前的實驗室實驗中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這種發(fā)光以及電暈放電的能量在有風(fēng)的情況下會增強。強烈的陣風(fēng)可以從根本上吹走帶正電的離子，這些離子會局部屏蔽電場并降低其影響，從而使電子更容易觸發(fā)更強，更明亮的輝光。

這些實驗主要是通過電氣接地的結(jié)構(gòu)進行的，麻省理工學(xué)院的團隊想知道風(fēng)是否會對在鋒利的，不接地的物體(例如飛機機翼)周圍產(chǎn)生的電暈放電產(chǎn)生相同的增強作用。

為了驗證這一想法，他們用木頭制作了一個簡單的機翼結(jié)構(gòu)，并將機翼包裹在箔中以使其具有導(dǎo)電性。研究小組沒有嘗試產(chǎn)生類似于雷暴時產(chǎn)生的周圍電場，而是研究了一種替代配置，其中電暈放電是在平行于機翼長度的金屬線中產(chǎn)生的，并連接一小段高線和機翼之間的高壓電源。他們將機翼固定在由絕緣材料制成的基座上，該基座由于其非導(dǎo)電性，實質(zhì)上使機翼本身電懸吊或不接地。

該團隊將整個裝置放置在麻省理工學(xué)院的萊特兄弟風(fēng)洞中，并使之經(jīng)受越來越高的風(fēng)速(每秒高達50米)，因為他們還改變了施加到電線上的電壓量。在這些測試中，他們測量了機翼中累積的電荷量，電暈的電流，并且還使用了對紫外線敏感的相機來觀察電線上電暈放電的亮度。

最終，他們發(fā)現(xiàn)電暈放電的強度及其產(chǎn)生的亮度隨風(fēng)的增加而降低，這與科學(xué)家觀察到的作用在接地結(jié)構(gòu)上的風(fēng)產(chǎn)生了令人驚訝且相反的效果。

逆風(fēng)而行

該團隊開發(fā)了數(shù)值模擬來嘗試解釋這種影響，并發(fā)現(xiàn)，對于不接地的結(jié)構(gòu)，該過程與接地的對象大致相似，但有一些額外的作用。

在這兩種情況下，風(fēng)都將電暈產(chǎn)生的正離子吹走，從而在周圍空氣中留下更強的磁場。但是，對于不接地的結(jié)構(gòu)，由于它們是電氣隔離的，因此帶負(fù)電性更高。這導(dǎo)致正電暈放電減弱。機翼保留的負(fù)電荷量由風(fēng)吹動的正離子與由于負(fù)偏移而吸引并拉回的正離子的競爭作用所決定。研究人員發(fā)現(xiàn)，這種次要作用可削弱局部電場以及電暈放電的電暈。

Guerra-Garcia說：“一般來說，電暈放電是閃電的第一步。” “電暈放電的行為很重要，這為電氣化下一步的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。”

在飛行中，諸如飛機和直升機之類的飛機固有地會產(chǎn)生風(fēng)，并且像在風(fēng)洞中測試的那種那樣的輝光電暈系統(tǒng)實際上可以用于控制車輛的電荷。與團隊先前的工作聯(lián)系起來，她和她的同事先前表明，如果飛機可以以受控方式帶負(fù)電，則可以降低飛機被雷擊的風(fēng)險。新的結(jié)果表明，使用可控的正電暈放電可以將飛行中的飛機充電至負(fù)值。

``這項研究令人興奮的是，盡管試圖證明可以使用電暈放電來控制飛機的電荷，但實際上我們發(fā)現(xiàn)風(fēng)中的經(jīng)典電暈放電理論不適用于機載平臺，即Guerra-Garcia說：“飛機上發(fā)生的電子故障確實具有某些獨特的功能，無法直接從地面研究中推斷出來。”