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球状闪电是怎样形成的?

时间: 2017年08月21日 | 作者: Chris Drudge | 来源: Nautilus
球状闪电甚至可能出现在完全封闭的飞机里。

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只要条件适宜,一团空气也可以燃烧。这种火焰多见于深夜,又没有显而易见的解释,由此引出大量神秘的遐想,也就不足为奇了。在中世纪的拉丁语中,这种球形火焰被称为ignis fatuus,意为“愚蠢的火焰”;在英国民间传说中,它被称为“will-o'-the-wisp”,意为“火炬之灵”;现在我们则更多地将它称为“鬼火”以及“球状闪电”。坊间传言,这些火球可能出现在坟墓上空,或者沿着河岸游荡,它可能预示着即将到达的地震,有时还会潜伏在飞机的走道上。我们至今仍未能完全合理地解释这些球形火焰是如何形成、如何运动的,但科学家始终在努力探寻。

 

近期,浙江大学物理学系聚变理论与模拟中心的武慧春教授在《科学报告》(Scientific Report)杂志上发表文章,就球状闪电的形成原理,提出了一种颇具说服力的新解释。

 

空中飘荡着的火球,其实有两种类型。一种是由有机生命体产生的,例如沼泽湿地或坟地中有机物的腐败分解,会产生甲烷和含磷的气体(比如磷化氢)。这些气体接触到氧气之后自燃,飘荡在半空中,便形成俗称的“鬼火”。另一种火球,则是源于自然界中的放电过程。例如地震时,地下的岩石碰撞挤压,可能会产生电荷,释放到地面上,与空气相互作用,放电形成火光。还有一些是在雷暴天气中,在大气中形成,这样的火球就被成为“球状闪电”。

 

球状闪电颜色多变,大小也各有不同,小者如玻璃弹珠,大者如健身房里用的瑜伽球。它们可以在封闭的空间中生成,可以竖直穿过烟囱,也可以水平穿透关闭着的窗户。球状闪电不仅发光,还会迸溅火花,发出滋滋的声响,散发出刺激性的气味。通常,球状闪电只能持续几秒钟,亮度如同一个明亮的家用电灯泡。球状闪电行踪多变,难以预料,人们很为其难找到一个明确的理论解释,但它们的诡异特征已经记载于近几个世纪的文献资料中。

 

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一幅1901年的雕版绘画记录了一次球状闪电事件

 

已故的天文学家Roger Jennison曾在1963年春天乘坐夜间航班穿过风暴。一道闪电击中飞机后,他目睹了一个篮球大小的球形闪电。Jennison描述道:“球状闪电在驾驶舱出现,随后沿着机舱走道笔直地移动,始终保持着同样的高度。”

 

另一次球状闪电事件是英国的一位女士在家中遇到的。当时她正坐在椅子上,忽然一个与西柚大小相当、边缘蓬松的橙色火球毫无征兆地穿过窗户进到室内。关闭的玻璃窗和百叶窗丝毫没有阻碍火球的移动。火球在肩膀高度上水平移动了大约10秒钟,紧接着爆发出一声惊雷,巨大的声响吓得女士直接从座椅上跳了起来。

 

根据上面这些描述,球状闪电能够穿过玻璃窗,还能直接在飞机内部形成,这些现象很难得到明确的解释。而关于球状闪电的形成原因,科学家更是众说纷纭,这些理论甚至比球状闪电的物理性质本身还要复杂。我们不妨列举一些试图解释球状闪电本质的理论,包括认为它是一团炽热的硅粒子,或是一种天然核反应,或者是闪电诱发的癫痫幻觉,还有可能是小型黑洞,或是由纤维素和其他天然聚合物形成的复合物质,以及充斥着微波的等离子体气团,等等。

 

武慧春教授正是从微波等离子体气团的角度来理解球状闪电的。此前,研究者提出,空中的雷雨云相当于一个大气微波激射器,它发出的微波辐射可以在大气中形成微波等离子体气团。然而,武慧春的理论表明,闪电会制造出一束速度接近光速的高能量电子,这些运动电子再进一步产生微波。具体来说,电子被大气中的电场加速,云层底部与地面之间形成一个电子通道,众多电子沿着这个通道一簇一簇地由云层移动到地面,便是我们所熟知的闪电。武慧春说:“闪电击中地面的瞬间,会制造出相对论性的电子束,这些电子会进一步产生微波辐射。”

 

不管大气中的微波是来自于云层,还是来自于高能量电子,它都会使临近的空气电离,形成等离子体。微波对等离子体产生压力,将等离子体压缩成一个气团,如此便形成了人们所见到的球状闪电。同时,囚禁在气团中的微波持续与空气发生作用,产生等离子体,从而能够使球状闪电维持短暂的几秒钟,直到气团内的微波能量耗尽。有时,等离子体气团会发生破裂,微波泄漏出来,致使气团发生爆炸而消失。

 

如果球状闪电确实是由微波和等离子体构成的,那么球状闪电的许多性质便会自然而然地得到解释。比如,微波可以穿过玻璃,因此球状闪电也就能够穿过玻璃窗进入室内;微波传播到人类的内耳时,会产生人耳可闻的噪声;等离子体则会使得空气中的氧气转化成臭氧,产生刺鼻的气味。

 

当然,关于球状闪电起源的各种微波-等离子体理论都能解释上述现象。而武慧春的微波起源理论之所以能够独树一帜,关键在于,它解释了飞机中为何会出现球状闪电。电子是远小于原子的微观粒子,当电子在飞机外被闪电加速后,便能够穿过飞机的金属外壳。机舱内的电子在运动过程中发出微波辐射,从而形成球状闪电。电子产生微波,微波又产生等离子体,球状闪电的这种形成机制,也能解释其大小:被闪电加速的电子束的长度,刚好与微波-等离子体气团的20~50厘米的典型直径相符。

 

对于一项科学研究来说,仅仅提出一个自洽的理论还不够。目前,武慧春的理论得到了粒子模拟的支持,下一步还需要通过实验来验证,球状闪电的电子-微波-等离子体形成机制是否成立。为此,研究人员需要想办法通过人工闪电的方式制造球状闪电,并且探测该过程中的高速电子和微波。如果武慧春的理论成立,那么我们就要考虑,雷暴中产生的高能电子和微波辐射是否会对人体造成伤害。

 

撰文 Chris Drudge

翻译 赵昌昊

编辑 吴非

 

原文链接:http://nautil.us/blog/-a-new-explanation-for-one-of-the-strangest-occurrences-in-natureball-lightning


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