地球物理学研究杂志

圣艾尔摩之火常被误会为球状闪电同类型事物，但实际成因不同：虽然二者都常在大雨（尤其是雷雨）中发生的，但是圣艾尔摩之火是低温的冷光现象，不会破坏周遭事物。在研究的早期，科学界都认为球状闪电是子虚乌有的现象，直到几十年后才承认它的真实性。早在1955年，苏联物理学家便提出球状闪电是雷暴中所产生的电磁干扰效应所引起的。1991年，日本科学家报道了他们在实验中观察到微波干扰所产生的一系列类似球状闪电的现象，他们的人造等离子球也显示出球状闪电的一些特性，如它可沿与主气流相反的方向运动，并可穿越固体物质。1998年，一位西班牙物理学家认为，所谓的神秘球状闪电其成因并不神秘，这一现象很可能是闪电产生过程中，磁场约束发光等离子体所形成。他建立了闪电磁场模型，认为关键是闪电过程中形成的水平磁场和垂直磁场磁力线圈相互交织而成的磁力线网。在某些特殊情况下，这一磁力线网有可能会呈现出球形，而发光等离子体会被这一网所“俘获”而形成球状闪电。这一火球效应会一直持续到等离子体开始冷却。研究人员指出，根据他们的预算，火球持续时间最多可达10至15秒。当等离子体冷却后，电子开始被原子所束缚，等离子体内部电阻变大、电流趋弱，周围的磁场也将随之瓦解，最终火球不复存在。按照这一理论，球状闪电绝大部分较冷，但在沿磁力线方向局部温度则极高。研究人员指出，据此就可很好的解释为什么火球并不发热而触到物体后往往容易着火。 2000年，两位新西兰科学家提出了他们的新理论。当一般的枝状闪电击到土壤中，土壤中的矿物质会转换成纳米纯硅和硅化合物颗粒。这些尺寸不足十分之一微米的微型颗粒，会在闪电的能量作用下由土壤蒸发进入大气。这一过程，就像抽烟者从嘴中吐出烟圈。进入大气的含硅颗粒会首先连接成链，然后组成能随气流运动的球状细丝网。该球状细丝网中的颗粒具有很高活性，会在特定条件下缓慢燃烧，并释放出光和热而形成所谓球状闪电。弦理论对球状闪电的解释根据弦理论，球状闪电是弦间隙微震阶段，能量集中在一点时的产物。就这一理论来说，球状闪电的产生，与地球当前的地质环境无关。根据弦理论，这是因为球状闪电在作无规则运动时，弦的能量（不是球状闪电的能量）由于压差而在某一物体（该物体可以是冰箱也可以是生鸭、生肉）上散发的结果，前提是该物体正好处于压差地带。由于该物体结构联系的连续性而使得整个该物体成为弦能量散发的集中点。2002年1月15日英国皇家学会在其学术杂志《哲学学报》的专刊上发表了一组有关球状闪电理论的文章。这些理论分别由物理化学家、物理学家和化学工程师提出。他们提出了3个解释球状闪电缘由的新理论。其主要内容分别是：1．球状闪电是由含有水合离子的小水滴组成的，它通过离子反应来释放能量。在这个理论中，球状闪电是一个包含等离子体的电化学结构，这一结构是由温度、压力、电磁场和重力场的微妙平衡来维持的。2．球状闪电是由聚合体细丝缠绕而成，通过表面放电来释放能量。在该理论中，灰尘中的自然微粒，像来源于纤维素、煤烟或硅土中的微粒都能形成细丝状结构，这些细丝聚合起来就变成了一个高度充电的球体，当它表面放电时，就发出了光和热。3．球状闪电是由金属纳米粒子链构成，其能量释放是通过金属纳米粒子的表面氧化来进行的。在这个理论中，普通的闪电能引起像土壤或木材这样的物质释放金属蒸气，这种带电的金属蒸气浓缩成一个网状的金属纳米粒子球。这些理论都有些说服力，特别是第三个理论，可以解释为什么球状闪电能够穿过墙壁和关着的窗子，似乎更有说服力。 科幻小说中的猜想科幻作家刘慈欣在其长篇小说《球状闪电》中提出一种奇特的猜想，即球状闪电实质是宏观展开的电子。具有量子效应且对目标具有高度选择性，在一定程度上解释了球状闪电的奇特特征。然而现在没有理论可支持这种猜想，只能当作一种思维的拓展。 科学家称揭开球状闪电之谜据澳大利亚广播公司(ABC)2012年10月15日报道，澳大利亚的一个科研组认为，他们已经揭开大自然最奇怪的一种现象——球状闪电的形成原因。通常像柚子那么大的球状闪电是一种十分罕见的现象，持续时间仅为20秒。澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)的科学家、这项研究的第一论文作者约翰·洛克说：“传闻有数百人看到过球状闪电，但是数百年来它始终是一个难解之谜。”该研究成果发表在《地球物理学研究》杂志上。以前的理论认为，微波辐射、氧化浮质、核能、暗物质、反物质和黑洞都有可能引起球状闪电。一种理论认为，它是由通过雷击蒸发的硅燃烧形成的。为了解开这个谜底，洛克和澳大利亚联邦科学与工业研究组织及澳大利亚国立大学的同事将注意力转移到有关在窗户附近形成的球状闪电的报告上。洛克说：“有很多关于在住宅或者飞机驾驶舱的玻璃窗附近看到球状闪电的观测报告。”击中地面，并照亮天空后，闪电袭击会留下一条由带电粒子或离子形成的长长的尾巴。洛克称，在大部分情况下，这些带正电或者带负电的离子会在瞬间结合在一起。剩余离子会迅速移向地面。洛克的理论认为，其中一些离子会聚集在玻璃窗等没有传导性的物体外表。“这种离子越积越多，并产生能够穿透玻璃的电场。”他表示，电场产生的自由电子足以让玻璃窗内的空气分子失去一些电子，并释放出光子，产生发光的球状结构。“这是第一篇为球状闪电的诞生提供数学解答的论文。”他称，他们下一步将是利用该理论在实验室里再现这一现象。要想证明这一理论可能仍会非常困难，因为它需要一个能够产生高达1亿伏电压的设备。然而前美国空军飞行员看到的球状闪电却暗示，这种现象的形成另有其因。空军中尉唐·史密斯20世纪60年代中期驾驶一架C-133A 货机从加利福尼亚州飞往夏威夷时，看到圣艾尔摩之火(Saint Elmo's fire)的两个角出现在飞机的雷达罩上，接着在驾驶舱内看到一个球状闪电。洛克说：“看起来像是那架飞机长了公牛的角，电流发出蓝光。这是浓雾期间操作功率达到最大的飞机雷达产生的离子导致的。”该研究未能解决的有关球状闪电的一个问题，是闪电过后为什么会出现一声巨响。洛克说：“大约三分之一的球状闪电结束后会听到一声巨响。(这可能是因为)电场一般会加热空气，使它变得越来越热，最终气体发生爆炸，产生巨大的声响。”不过他称，这只是一种猜测，还需要进行更多研究，才能确定它是真是假。 巴西科学家在实验室制成神奇球状闪电巴西的科学家在实验室里制造了一个真正的大火球——球形闪电。不仅让它发光，甚至还让它跳了几分钟。事实上，球形闪电是一团密度不大的常温等离子体。由巴西佩尔纳巴库（Pernambuco）联合大学的安东尼奥·帕奥和格森·徘维领导的小组，将350微米厚的硅晶片放在两个电极之间，通上高达140安倍的电流，二秒钟后，他们将电极稍微拉开一些，结果产生了蒸汽硅形成的电弧。此电弧不时弹出火光般的硅碎末，并继续扩张，突然成了一个球，一直持续了8秒。至今为止，这是在实验室里制造出的寿命最长的火球。先前有人曾使用微波制造了发光球，但在微波关掉后，它们仅持续了毫秒便消失了。视频记录2012年，兰州西北师范大学的研究人员在青海省一个雷暴天气中绘制辐射地图时，意外记录下了一个难以捉摸的发光球。光球从地面升起，变成一道闪电，在地上穿行15米，然后消失。研究人员说，它的直径约5米，只出现了不到2秒钟。这场发生在2012年的风暴的视频和光谱，被认为是迄今为止自然界球状闪电的首次科学记录。 这项研究详细内容发表在2014年出版的《物理学评论快报》上，证实了球状闪电的真实存在性，并提供了球状闪电如何存在的重要线索。很早就有人目击球状闪电，但是由于其罕见性，没有人拍摄记录到这一现象。此次兰州西北师范大学研究人员使用光谱设备记录了球状闪电，从而能够识别构成球状闪电的主要元素。他们发现球状闪电中包含铁、硅和钙，这与土壤的主要成分相同。2000年，詹姆斯·迪尼斯等人曾发表研究报告指出，球状闪电很可能是击在地面上的普通闪电，它具有巨大的热量，完全可以将土壤中的二氧化硅蒸发。 2014年，我国科学家公布了在2012年首次拍到在雷暴天气出现的球状闪电的视频。相关论文为：《Observation of the Optical and Spectral Characteristics of Ball Lightning》 作者：Jianyong Cen, Ping Yuan, and Simin Xue

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