飞机如何在雷暴期间抵挡圣埃尔莫的大火

在雷雨最强的时候，手机发射塔、电线杆和其他高大的导电结构的尖端可以自发地发出一道蓝光。这种被称为电晕放电的电辉是当导电物体周围的空气被带电环境短暂电离时产生的。几个世纪以来，水手们在海上风暴期间观察到船桅杆顶端的电晕放电。他们以水手的守护神圣徒的名字创造了圣埃尔莫之火这一现象。

科学家们发现，电晕放电在刮风的条件下可以增强，随着空气进一步通电，电晕放电会发出更明亮的光。这种由风引起的增强主要是在电气接地的结构中观察到的，如树木和塔楼。现在麻省理工学院的航空工程师发现，风对不接地的物体有相反的影响，比如飞机和一些风力涡轮机叶片。

在麻省理工学院的莱特兄弟风洞于2019年拆除之前进行的最后一些实验中，研究人员将一个不接地的飞机机翼模型暴露在越来越强的阵风中。他们发现，风越大，电晕放电越弱，产生的辉光越暗。

该团队的研究结果发表在“地球物理研究杂志：大气”上。这项研究的主要作者是麻省理工学院航空航天学助理教授卡门·格拉-加西亚(Carmen Guera-Garcia)。她在麻省理工学院的合著者是资深研究科学家Ngoc Cuong Nguyen；研究生Theodore Mouratidis；以及航空航天终身教授曼努埃尔·马丁内斯-桑切斯(Manuel Martinez-Sanchez)。

在暴风云中，摩擦力会积聚起来，产生额外的电子，形成一个可以一直延伸到地面的电子。如果磁场足够强，它可以分解周围的空气分子，将中性空气转变为带电气体或等离子体。这一过程最常发生在尖锐的导电物体(如电池塔和翼尖)周围，因为这些尖状结构往往会集中电场，将电子从周围的空气分子拉向尖状结构，在尖锐物体周围留下一层带正电的等离子体面纱。

一旦等离子体形成，其中的分子就可以通过电晕放电的过程开始发光，在电晕放电过程中，电场中多余的电子会乒乓撞击分子，将它们击打到激发状态。为了从这些激发状态下来，分子发出光子能量，波长为氧气和氮气，对应于圣埃尔莫之火特有的淡蓝色光芒。

在之前的实验室实验中，科学家们发现这种辉光和电晕放电的能量在有风的情况下可以增强。强风基本上可以吹走带正电的离子，这些离子在局部屏蔽了电场，降低了电场的影响-使电子更容易触发更强、更明亮的光芒。

这些实验大多是在电接地结构上进行的，麻省理工学院的研究小组想知道，风是否会对围绕尖锐的、不接地的物体(如飞机机翼)产生的电晕放电产生同样的增强效应。

为了测试这一想法，他们用木头制作了一个简单的机翼结构，并用铝箔包裹机翼，使其具有导电性。研究小组没有试图产生类似于雷暴中产生的环境电场，而是研究了另一种配置，在这种配置中，电晕放电是在平行于机翼长度的金属导线中产生的，并在导线和机翼之间连接一个小型高压电源。他们将机翼固定在由绝缘材料制成的基座上，由于绝缘材料的不导电性质，基本上使机翼本身电悬浮或不接地。

研究小组将整个装置放置在麻省理工学院的莱特兄弟风洞中，并使其承受越来越高的风速，最高可达每秒50米，同时他们还改变了施加到电线上的电压。在这些测试中，他们测量了机翼上积累的电荷量，电晕电流，并使用紫外线敏感相机观察电线上电晕放电的亮度。

最后，他们发现电晕放电的强度和由此产生的亮度随着风的增加而降低-这与科学家们看到的风作用在接地结构上的效果相反，令人惊讶。

研究小组开发了数值模拟来尝试和解释这种影响，并发现，对于不接地的结构，这一过程与接地物体的过程很相似-但有一些不同。

在这两种情况下，风都会吹走日冕产生的正离子，在周围的空气中留下更强的磁场。然而，对于不接地的结构，因为它们是电隔离的，所以它们会变得更带负电荷。这导致了正电晕放电的减弱。保留的负电荷量是由风吹过的电荷量和负漂移引起的吸引和拉回负电荷量的竞争效应决定的。研究人员发现，这种次要效应削弱了当地的电场，也削弱了电晕放电的电辉。

格拉-加西亚说，一般来说，电晕放电是闪电的第一阶段。电晕放电的行为很重要，可以说是为下一步在通电方面可能发生的事情做好了铺垫。

在飞行中，飞机和直升机等飞机天生就会产生风，而像风洞中测试的那种发光电晕系统实际上可以用来控制车辆的电荷。她和她的同事联系到该团队之前的一些工作，先前证明，如果飞机能够以受控的方式带负电，飞机被闪电击中的风险就可以降低。“。新的结果表明，使用受控的正电晕放电可以将飞行中的飞机充电到负值。

格拉-加西亚说，这项研究令人兴奋的是，虽然我们试图证明飞机的电荷可以通过电晕放电来控制，但我们实际上发现，风中电晕的经典理论并不适用于与环境电气隔离的空中平台。飞机中发生的电击穿确实呈现出一些独特的特征，不允许从地面研究中进行直接推断。更多信息：C.格拉-加西亚等人(C.Guera-Garcia et al.)。“电隔离电极的风中电晕放电”，“地球物理研究杂志：大气”(2020)。DOI：10.1029/2020JD032908