一场雷雨沸腾起来进入新墨西哥州中部的山区时,朗缪尔实验室的研究人员正在检查他们的火箭,他们爬进发射台下面的一个钢铁掩体,等待合适的时机向云层发射,希望闪电会反击。从大约一英里外的控制塔的玻璃圆顶上,朗缪尔的工作人员扫描附近的步道,寻找徒步旅行者,并向地堡的工作人员发出5分钟的窗口信号。

“一切都必须完美到位——风暴必须在头顶,每个人都必须做好准备,风暴必须建立一个电场,”大气研究设施主任哈拉尔德·伊登斯说。

然后掩体里的研究人员用无线电发回5秒倒计时。“走吧!其中一枚气球吹向一个气动开关,这个开关在头顶上发射火箭,这个开关用一根钢丝系在发射台上。控制塔里的观测者看到一缕烟雾,(如果一切顺利的话)一道灼热的闪电从地面劈向云层。雷声噼里啪啦地响着,隆隆的轰鸣声大都散开了。掩体里的收音机传来激动的喊声。

在夜间,朗缪尔实验室的科学家们使用红光来保持他们的夜视能力。
在夜间,朗缪尔实验室的科学家们使用红光来保持他们的夜视能力。Langmuir实验室提供

高速摄像机以每秒6000帧的速度记录下这次撞击。回放时,动作跨越数秒而不是几秒。黑白照片显示,闪电从这座光秃秃的山峰上穿过天空,自1963年以来,科学家们一直在激发、测量和拍摄雷暴,以更好地了解它们的工作原理。

但自从有人在朗缪尔触发闪电,已经是六年以前的事了。这个尖端设施是闪电研究人员的播种基地,一直在努力争取资金,并组装许多必须对准才能触发闪电的部件。尽管如此,去年成为主任的伊登斯仍在努力将实验室改造成闪电研究的温床,并吸引有动力的学生。去年秋天,他向美国地球物理联合会(American Geophysical Union)描述说,该网站吸引了“科学的不法分子和叛逆者”,同时他还想寻找新的、多样化的合同来帮助支付账单。

朗缪尔是研究闪电和雷暴以及用于研究它们的工具的基础场所。第二次世界大战期间,当时在新墨西哥大学(University of New Mexico)工作的E.J.沃克曼(E.J. Workman)对大气电产生了兴趣,开始囤积废弃的军用物资和仪器。事实上,该实验室的“坟场”仍然包括一个导弹发射井和喷气发动机。当学校试图从他的合同中抽成时——这是现在的标准做法,但不是当时的做法——他拒绝了,并搬到了新墨西哥矿业与技术学院,那里仍然拥有实验室。他获得了附近国家森林的一座山峰的使用权,在一年内打通了一条狭窄的土路(这仍然需要高净空车辆),并以不到100万美元的成本建造了实验室。不久,科学家们将气球携带的仪器放入雷暴中,以测量雷暴的内部运作。

科学家们准备发射一个装有仪器的气球。
科学家们准备发射一个装有仪器的气球。Langmuir实验室提供

在佛罗里达大学研究闪电的马丁·乌曼说:“我认为,我们所知道的关于雷暴电荷和充电的很多事情可能都是从气球在雷暴中飞行开始的。”“他们只是有一代又一代非常聪明的人推动了大气电力领域的发展。”

乌曼指出,雷暴电荷引发闪电,但闪电有自己的特点和影响。研究人员将两者分开,但Langmuir两者都研究过。

朗缪尔实验室吸引了许多具有独立个性的科学家,他们愿意拆散、重新设计设备,或者自己建造设备。它过去是、现在仍然是那些深入研究非常规科学的人的地方。当时,这意味着在两座山之间系上电缆,试图向雷暴注入电荷。现在,这意味着将严格的科学应用于目击者报告神秘的球状闪电和其他现象

短暂的发光事件,如精灵发生在雷暴的高空,可以在朗缪尔观测到。
短暂的发光事件,如精灵发生在雷暴的高空,可以在朗缪尔观测到。Langmuir实验室提供

伊登斯说:“这就是当时朗缪尔实验室变大的原因——它吸引了所有这些可以在没有太多繁文缛节的情况下做实验的人。”“我们仍然有一些不法之徒的元素。”

Langmuir是世界上为数不多的可以触发闪电的设施之一。通过反复用闪电在山顶上炸一个钢盒子,他们可以通过仔细观察它来更好地理解它,前提是他们建造的设备可以跟上闪电发生的速度。

“我们测量事物的速度越快,我们能看到的就越多,我们能理解的也就越多,”比尔·里森(Bill Rison)说,他自1984年以来一直在实验室工作。“当然,我们对意想不到的事情有了更多的疑问。”

朗缪尔基地的两个地下钢室之一的内部,绰号“基瓦”,在这里工作人员在触发闪电时保持安全。
朗缪尔基地的两个地下钢室之一的内部,绰号“基瓦”,在这里工作人员在触发闪电时保持安全。Langmuir实验室提供

里森与另一位长期与朗缪尔合作的先驱物理学家保罗·克雷比尔(Paul Krehbiel)合作,设计了揭示电风暴内部运作的仪器。他们测量了云层内的降水粒子,结果显示,就在雷击之前,冰晶会沿着电场的方向排列。他们从肯尼迪航天中心的闪电探测设备中获得灵感,制作了一个闪电映射阵列,它可以提供闪电的3D图像,并可以用颜色标记其中的正电荷和负电荷。这与干涉仪相配合,干涉仪可以读取阵列看到的100个点,并显示电荷如何以及向哪个方向发展。

该设备测量了雷暴的一些细微之处,得到了围绕闪电的一个关键问题:它是如何开始的?朗缪尔研究人员在一篇文章中提交了一种理论的证据自然通讯2016年,该公司报告观察到数百个快速移动的“流”或放电,它们表现得更像波或云,而不是通道。这不是“答案,”伊登斯说,“但朝着答案迈进了一步。

物理学家兼气象学家查尔斯·摩尔(左)在发射管中装载探空火箭。火箭引发的闪电(右)使一根由火箭携带向上的镀铜钢丝蒸发。
物理学家兼气象学家查尔斯·摩尔(左)在发射管中装载探空火箭。火箭引发的闪电(右)使一根由火箭携带向上的镀铜钢丝蒸发。Langmuir实验室提供

2020年夏天,实验室很安静。仪器仍在记录风暴,研究人员大约每周都会来更换记忆卡和电池。COVID的预防措施关闭了一些计划中的实验,但还有一个问题,就像近年来的许多研究机构一样,朗缪尔一直缺乏资金。

“资助机构中的个人或委员会决定什么是重要的,什么不是,在美国,关于闪电现象的资助和研究论文已经落后了,”乌曼说,他来自佛罗里达大学,该校也有触发闪电的设施,但几年来一直没有,部分原因是资金不足。“美国科学资助的整体状况可以而且应该会好得多。”

朗缪尔实验室的主楼,有其特色的观察塔和圆顶。
朗缪尔实验室的主楼,有其特色的观察塔和圆顶。Langmuir实验室提供

从朗缪尔山谷的另一端,有一个提醒,不是每个研究机构都能反弹。那里的太阳黑子天文台拍摄并研究太阳的高分辨率图像,现在只使用四台望远镜中的一台。天文学家居住的小镇已经被遗弃。

因此,朗缪尔看到了多元化的价值。在寻找其他资金来源的过程中,该实验室将为其仪器设计技术和其受限空域的稀有商品——向联邦航空管理局(Federal Aviation Administration,简称faa)呼叫,以控制飞机从空中飞行——向私人公司以及新墨西哥州的两家国家实验室桑迪亚(Sandia)和洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)提供合同。伊登斯仍决心继续努力。

“我们想继续触发闪电,”他说。“我们绝不会就此罢休。”