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

幾個世紀以來，水手們在海上暴風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。

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

在麻省理工學院的萊特兄弟風洞于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中。他們發(fā)現(xiàn)風越強，電暈放電越弱，產生的輝光越暗。

研究小組的結果發(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院航空與航天學助理教授卡門·瓜拉·加西亞(Carmen Guerra-Garcia)。她在麻省理工學院的合著者是資深研究科學家Ngoc Cuong Nguyen。Theodore Mouratidis，研究生;曼努埃爾·馬丁內斯·桑切斯(Manuel Martinez-Sanchez)，航空和航天系任職教授。

電動摩擦

在暴風云中，摩擦會累積以產生額外的電子，從而產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)生在尖銳的導電物體(例如細胞塔和翼尖)周圍，因為這些尖銳的結構傾向于集中電場，使電子從周圍的空氣分子被拉向尖銳的結構，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，對應于圣艾爾摩火的特征性藍光。

在先前的實驗室實驗中，科學家發(fā)現(xiàn)這種發(fā)光以及電暈放電的能量在有風的情況下會增強。強烈的陣風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構進行的，麻省理工學院的團隊想知道風是否會對在鋒利的，不接地的物體(例如飛機機翼)周圍產生的電暈放電產生相同的增強作用。

為了驗證這一想法，他們用木頭制作了一個簡單的機翼結構，并將機翼包裹在箔中以使其具有導電性。研究小組沒有嘗試產生類似于雷暴時產生的周圍電場，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，該基座由于其非導電性，實質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院的萊特兄弟風洞中，并使之經受越來越高的風速(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生的亮度隨風的增加而降低，這與科學家觀察到的作用在接地結構上的風產生了令人驚訝且相反的效果。

逆風而行

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)，對于不接地的結構，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，風都將電暈產生的正離子吹走，從而在周圍空氣中留下更強的磁場。但是，對于不接地的結構，由于它們是電氣隔離的，因此帶負電性更高。這導致正電暈放電減弱。機翼保留的負電荷量由風吹動的正離子與由于負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。”

在飛行中，諸如飛機和直升機之類的飛機固有地會產生風，并且像在風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電，則可以降低飛機被雷擊的風險。新的結果表明，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)風中的經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。”