在雷暴期间，飞机如何对抗圣埃尔莫大火

在雷雨的高度，手机发射塔、电线杆和其他高大的导电结构的尖端会自发地发出一道蓝光。这种电晕放电是在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，水手们在海上的风暴中观察到日冕在船桅的顶端喷射。他们根据水手的守护神创造了圣埃尔莫之火现象。

科学家发现，日冕放电在有风的情况下会增强，当风进一步使空气通电时，它会发出更明亮的光。这种风引起的增强主要在接地结构中被观察到，如树和塔。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，研究人员将一个未接地的飞机机翼模型暴露在越来越强烈的阵风中。他们发现，风越强，电晕放电越弱，产生的辉光也越暗淡。

该小组的研究结果发表在《地球物理研究杂志:大气》上。这项研究的主要作者是Carmen Guerra-Garcia，她是麻省理工学院航空航天学的助理教授。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;以及航空航天学终身教授曼努埃尔·马丁内斯-桑切斯(Manuel Martinez-Sanchez)。

摩擦电

在风暴云中，摩擦会增加，产生额外的电子，产生一个可以一直到达地面的电场。如果电场足够强，它就能分解周围的空气分子，将中性空气变成带电气体，即等离子体。这个过程最常发生的地方,导电物体如发射塔和翼尖,因为这些尖结构倾向于集中的电场,电子从周围的空气分子向指出结构,留下一个面纱立即带正电的等离子体的利器。

一旦等离子体形成，其内部的分子就会通过电晕放电的过程开始发光，在这个过程中，电场中的多余电子会与分子发生乒乓运动，将它们撞击到激发态。为了从激发态下来，这些分子释放出一种光子能量，其波长对于氧和氮来说，与圣埃尔莫火焰特有的蓝色辉光相对应。

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会增强。强劲的阵风可以吹走带正电荷的离子，这些正离子在局部屏蔽了电场，降低了电场的作用——使电子更容易触发更强、更亮的辉光。

这些实验大多是在接地结构上进行的，麻省理工学院的研究小组想知道，风是否会对电晕放电产生同样的强化作用，就像在尖锐的、不接地的物体(如飞机机翼)周围产生的那样。

为了验证这一想法，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，使之导电。而不是试图产生一个类似于什么环境电场产生雷暴,小组研究了另一种配置的电晕放电产生的金属线平行机翼的长度,和连接电线和翼之间的小型高压电源。他们将机翼固定在一个由绝缘材料制成的基座上，由于这种材料的不导电性质，基本上使机翼本身悬浮或不接地。

研究小组将整个装置放在麻省理工学院的莱特兄弟风洞中，让它经受速度越来越快的风速，最高可达每秒50米，同时他们还改变施加在导线上的电压的大小。在这些测试中，他们测量了机翼中积聚的电荷量、电晕的电流，还使用了一个紫外线敏感相机来观察电晕放电在导线上的亮度。

科学家观察到电不接地物体(左)与接地物体(右)的离子“辉光”电晕放电。感谢研究人员

最后，他们发现日冕放电的强度和由此产生的亮度会随着风的增加而减弱——这与科学家们所看到的风作用于地面结构的结果相反，令人惊讶。

逆风行驶

该团队开发了数值模拟来试图解释这种效应，并发现，对于不接地的结构，其过程与接地的物体非常相似——只是有一些额外的东西。

在这两种情况下，风都将电晕产生的正离子吹走，在周围空气中留下一个更强的场。然而，对于不接地的结构，因为它们是电隔离的，它们变得更带负电荷。这导致正电晕放电减弱。机翼所保留的负电荷量是由风吹来的正离子和那些由于负电荷偏移而被吸引或缩回的正离子相互竞争的结果所决定的。研究人员发现，这种次级效应会减弱局部电场，以及电晕放电的发光。

“一般来说，电晕放电是闪电的第一阶段，”格拉-加西亚说。“电晕放电的行为是重要的，并且为接下来可能发生的电气化奠定了基础。”

在飞行中，像飞机和直升机这样的飞机本身就会产生风，而在风洞中测试的辉光电晕系统实际上可以用来控制飞机的电荷。联系到团队之前的一些工作，她和她的同事们之前表明，如果一架飞机能够在可控的方式下带上负电荷，那么飞机被雷击的风险就会降低。新的结果表明，在飞行中的飞机充电到负值可以实现控制的正电晕放电。

“这项研究令人兴奋的是,在试图证明电荷的飞机可以控制使用电晕放电时,我们发现,古典理论的电晕放电在风力不申请机载平台、电气隔离,从他们的环境,“Guerra-Garcia说。“发生在飞机上的电击穿确实呈现出一些独特的特点，不能从地面研究中直接推断。”

这项研究的部分资金是由波音公司通过战略大学的波音研究和技术计划提供的。