球状闪电是怎么回事呢?

有那些现象啊,怎么产生的呢?

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章鱼喵.时见疏星理论物理专业,西夏文爱好者

2014-01-19 11:08

关于球状闪电的记录很早就有了,但是对于它的研究确一直是基于目击记录上,知道最近兰州西北师范的几位老师的工作出现在物理学顶级杂志 PRL 上。


## 历史

早在 1596 年,就曾经有一起出现在英格兰萨默塞特郡的韦尔斯的一起球状闪电事件的记录。[1] 几百年来,虽然有着众多的球状闪电目击记录,人们却一直没有揭开这个幽灵的面纱。


(图片来源:Ball Lightning from Wikimedia Commons

在更早的北宋时期,沈括在《梦溪笔谈》中记载了一次非常类似球状闪电的过程:雷火从窗子里面穿过来,暴雷过后,木制物品并无损坏,但是银饰却融化了。[2]


## 目击记录


在一篇上世纪六十年代的文章中,提到了 Brand 收集处理的关于球状闪电的报告,Brand 相信他所统计调查的 600 项事件中,只有 215 项还算是可信。另外,文章还提到了对美国橡树岭国家实验室的一项比较初级的问卷调查,1962 个被调查的人中,有 110 个人说自己看到过球状闪电,比例高达 5.6%。虽然后来对所有的 Union Carbide Nuclear Company 的所有人员的调查中,只有 3.1% 的人说见过球状闪电,但是这依然可以说明,球状闪电的目击者并不稀有。3也就是说,球状闪电在某些时间段某些地区,算不上是一个非常罕见的现象。

大家对球状闪电的描述,从运动到形态,甚至消失的方式常常有很大的差异。Smirnov 在一篇论文中,根据当时大家收集的观测数据总结了球状闪电的一些特征。

亮度:大约一盏 100W 的灯。

颜色:黄色,橙色,红色(粉色)和白色居多。

消失的方式:多数是以爆炸的形式消失的。

直径:主要在 10cm 到 50cm 之间。


寿命:大多小于 50 秒。

出现的地方:多数在导体附近。

出现的季节:多出现在七月。(季节和时间的统计结果还受到样本的气候和人群的作息的影响。)

出现在一天中的时段:9 点到 18 点之间。(季节和时间的统计结果还受到样本的气候和人群的作息的影响。)

(后两项比较容易理解,统计的样本大多是北半球(人类大多聚集在北半球,俄罗斯对于球状闪电的关注和研究又较多),晚上大家都睡觉了,出现了也不太容易被人发现。)


## 理论研究


关于球状闪电的理论有很多,其中有一个理论是 cloud-to-ground 闪电击中土壤,发生化学反应,使得土壤中的硅元素被释放出来,并在空气中形成一个漂浮着 Si,SiO,SiC 的纳米颗粒的区域,这些颗粒以化学能的形式储存了之前闪电的部分能量。之后这些颗粒逐渐氧化,把储存的闪电能量释放出来,便形成了一个发光发热的球状闪电。[4]这样可以解释大多数的球状闪电的特性,包括寿命,亮度,产生的地点。

当然因为缺乏直接详细的测量,各种理论层出不穷。比如 Muldrew 有个分层模型[5],

(Muldrew 分层的模型)


这个模型中,球状闪电是由一个固态的核外加电子层和等离子层组成的。这个球体之所以不会立刻坍缩是因为核心和电子组成的薄层之间有特殊的电磁场形成了一层势垒。当电子慢慢穿过电磁场势垒或者核心慢慢破坏之后,球状闪电就慢慢消失了。

有些模型中甚至使用了黑洞6

总之,各种各样的模型很多,可是这事儿不能就单凭一些目击者数据来定论吧。



## 观测


有很多想要拍摄球状闪电的科学项目,但是这些项目到目前大都还没有拍到7。不过在 2012 年,来自兰州西北师范大学的袁萍等人在一次常规闪电观测(青藏高原?原文 Qinghai Plateau,不知如何翻译)中拍到了球状闪电的高速录像和光谱。

2012 年 7 月 23 日 21:54:59,他们是在进行 cloud-to-ground 闪电观测的时候,球状闪电突然出现。他们的仪器拍下了整个过程,包括视频,声音和 82 张图像。整个球状闪电发光的时间是 1.64 秒。下面是他们拍到的影像和光谱:




球状闪电产生的时候的光谱可以在下面图片中看到。上图是拍到的第一张图片,中间的图是第二张。可以明显的看到球状闪电的 光谱和常规的 cloud-to-ground 闪电是不同的

(图片来源:Observation of the Optical and Spectral Characteristics of Ball Lightning[8])

他们经过分析,发现 Si I, Fe I, 和 Ca I 的谱线在整个球状闪电过程中都存在。其中,Si I 的谱线甚至一直到最后的阶段也有。另外 N I 和 O I 近红外谱线先后出现,并且在球状闪电的亮度达到最大的时候强度达到最大,之后便逐渐减弱并且以与出现的顺序相反的次序消失。[9]

总之,球状闪电中含有 Si,Fe,Ca 等元素,这些元素正好是土壤中所大量含有的10。因此这个观测在一定程度上支持某些类型的球状闪电跟土壤有关的理论,但是需要更多的观测和实验验证。




## 应用


应用?哈?哦。

龟!派!气!功!

## 授权

本文采用:

(也想使用这个图标?点这里。)

本文内容来自:http://multiverse.lamost.org/blog/6160



## 参考


  1. 「内侍李舜举家曾为暴雷所震。其堂之西室,雷火自窗间出,赫然出檐,人以为堂屋已焚,皆出避之。及雷止,其舍宛然,墙壁窗纸皆黔。有一木格,其中杂贮诸器,其漆器银饫者,银悉槠流在地,漆器曾不焦灼。有一宝刀,极坚钢,就刀室中槠为汁,而室亦俨然。人必谓火当先焚草木,然后流金石,今乃金石皆铄,而草木无一毁者,非人情所测也。佛书言“龙火得水而炽,人火得水而灾”,此理信然。人但知人境中事耳,人境之外,事有何限?欲以区区世智情识,穷测至理,不其难哉!」
  2. J. R. McNally. (1960). Preliminary Report on Ball Lightning. Proceedings of the Second Annual Meeting of the Division of Plasma Physics of the American Physical Society, Gatlinburg, No. 2AD5 [1960], Paper J-15, pp. 1AD25
  3. John Abrahamson and James Dinniss. (2000). Ball lightning caused by oxidation of nanoparticle networks from normal lightning strikes on soil. Nature 403, 519-521. doi:10.1038/35000525 .
  4. D. B. Muldrew. (2010). Solid charged-core model of ball lightning. Ann. Geophys., 28, 223-232.doi:10.5194/angeo-28-223-2010 .
  5. Mario Rabinowitz. (1999). Little Black Holes: Dark Matter and Ball Lightning. Astrophys.Space Sci. 262, 391-410. doi:10.1023/A:1001865715833 . arXiv:astro-ph/0212251 .
  6. 我没有找到官方的项目网站,这个结论是从这里看到的。
  7. Jianyong Cen, Ping Yuan, and Simin Xue. (2014). Observation of the Optical and Spectral Characteristics of Ball Lightning. Phys. Rev. Lett. 112, 035001. doi:10.1103/PhysRevLett.112.035001.
  8. I 表示离子的价态。对这个不了解,总之有这个光谱就意味着含有这种元素。
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H3YF6大二生物狗一条

2013-08-28 23:19

目前国际上普遍认可球状闪电是一种客观存在的自然现象,对此也有一些研究,但是到现在球状闪电仍然是一个谜一样的存在。因为球状闪电现象只是雷雨天有较小概率出现,很难在野外进行跟踪研究(而且研究生、博士生假如真的像小说《球状闪电》里那样在野外追踪球状闪电,他们会冒写不出论文毕不了业的风险。估计原因这么做的人不多),况且在实验室中至今也没能完整复制这一事件,这都阻碍了我们对它的了解。(传说特斯拉弄出过球状闪电,不过也只是传说。反正我不相信一百五十年后的我们都做不到的事情他能做到)

目前的解释有:(以下内容全部译自英文维基百科ball lightning页面)
1、微波激射理论:
雷云在放电中产生微波激射(可以理解为频率在微波波段的激光),微波激射与空气中被闪电电离的等离子体产生共振,把这些等离子体的半径调整为微波的波长,从而形成球状闪电。球状闪电的能量就由微波激射提供。

2、孤立子理论:
孤立子是指一小团在运动中具有稳定形状,不会发生弥散的波,比如水面上的水包,还有这一理论中的局域电场。孤立子理论认为球状闪电是一团孤立的、不粘附于其他东西上的圣艾尔摩之火。(后者是指雷雨天里因尖端放电而产生的光晕)这一理论认为球状闪电是这样生成的:雷雨中,大气电场被一小团等离子体放大形成孤立子,这团电场孤立子进一步稳定了等离子体(原理和圣艾尔摩之火相似),形成具有一定形状,可以发光的球状闪电。

小说《球状闪电》中提到的微波激射-孤立子理论是二者的综合,认为微波激射产生了电场孤立子,然后等离子体围绕电场孤立子产生球状闪电。这一理论有对应的实验,用微波发生器和一氧化氮气体成功制成了漂浮的火球(甚至用家用微波炉都可以进行简单的演示),不过它的性质和普遍接受的球状闪电的性质还是有很多不同,因此并不能作为球状闪电的最终理论。空气和一氧化氮气体中能产生这一现象,因为它们能够形成亚稳定的离子。而其他气体,比如氩气、二氧化碳和氦则不能演示这一现象。

3、气化硅理论:
这一理论认为球状闪电是这样形成的:闪电击中二氧化硅时产生了气化的硅单质,硅在冷却中凝聚成了气溶胶,靠其电荷斥力维持一定的性状(就像溶液中的胶体不沉淀一样),并通过氧化发光发热。
2007年的时候报道过对应的实验:通过用电弧气化一小片纯硅晶体,成功产生了存在数秒的发光球体。

4、气流漩涡理论:(这一段自我感觉翻译得很渣,望大气物理专业的大大们来修正一下。)
这一理论中球状闪电产生的过程是:闪电击中地面时,瞬间产生了激波(shockwave,超音速现象中产生的一种波),而这激波进而产生了平行于地面的看不见的环形空气湍流。这个气流环的周围存在低气压中心和高气压中心,它们会使气流环旋转,同时气流环会向远离圆心方向扩散。如果气流环的扩散受到阻碍,对称性被破坏了,这个气流环就会坍缩成周期性的环流,并在内外压力作用下收缩为圆柱体,最后变成球体。由于气流环的体积缩小了,能量密度升高,它会开始发光,形成我们看到的球状闪电。
这一理论中的球状闪电的稳定性来自于向心力和表面张力,只考虑带有较低能量的球状闪电。这一理论中球状闪电的发光还可用场致发光效应来解释。另外,一个理论认为观察中发现的球状闪电的多色性可以用气流漩涡中低速区内发生的燃烧来解释。

5、纳米电池理论:
认为球状闪电由纳米或亚微米级颗粒构成的原电池产生。表面放电将这些原电池短路产生电流,形成我们看到的球状闪电。维基百科中称这个模型是一个解释了球状闪电的所有观测到的性质和过程的气溶胶模型,不过我有点怀疑,因为这一段的内容少得可怜。(有兴趣的话去翻论文吧。)

6、微型黑洞假说:
这个我感觉很扯,所以就不具体翻译了。这个说法的产生是因为记录中1868年冰岛的一次球状闪电挖出了沟和洞,不过虽然微型黑洞的确能产生这些,但是这要求它的质量至少要有20000Kg,而且密度会是黄金的2000倍。

7、经颅磁场刺激假说:
认为球状闪电是磁场作用于大脑产生的一种幻觉。实验中确实通过人工磁场产生了类似球状闪电的幻觉,并且证实了同样的磁场可以在天然雷暴中产生,但是这一假说无法解释被大量报道的球状闪电造成的物理性损伤。

8、环状等离子体理论
终于轮到《球状闪电》中提到的主流观点了。这一观点维基里介绍得很少,主要是讲关于它的实验和论文,可能是觉得看名字就明白了吧。有研究者用高能电弧产生了类似球状闪电的小球,这些球体可以在电弧关闭后继续存留在空气中,而且高速摄像机拍下了它作为环状等离子体而存在的证据。还有几篇论文我就不翻译了。

9、其他理论,维基上没有太详细的介绍。都是些存在感很低的理论。
旋转电偶极子理论
静电莱顿瓶模型,这一模型预言的球状闪电寿命远小于观测结果,可以说是失败的。
一个涉及到中微子和重中微子的理论,完全看不懂。(我都没听说过重中微子)
分形气凝胶理论,不知道是什么意思。可能和上文中提到的几种气溶胶理论有相似之处?(气溶胶和气凝胶的关系有点像胶体和凝胶的关系,前者是分散系,后者是一种固体结构。当然这是个不恰当的比喻。)
有研究者认为球状闪电是一种自约束的强光,不过我感觉这个说法有相当多的疑点。具体还得看论文。
一个基于等离子体超导电性的假说(不过到目前为止没有发现超导等离子体)
反物质流星假说(我大概看了一下,这是个神器,可以和通古斯大爆炸、球状闪电、伽马射线暴等一干未解之谜产生联系。基本可以认定为神论。)

以上全部翻译自维基页面“Ball Lightning”

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看了那么多,为毛我印象最深的就是那个“龟派气功”?为毛?为毛?

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半玖在读大学僧,热工专业

2014-01-20 02:13

啊。。有一次和球状闪电擦肩而过,高三上课的时候,就有好些同学在窗外看到了,时间很短,大概不到一秒就消失了,而且是突然出现,篮球大小,白色,好像是撞到了外面的大棚,然后听到了一声巨响,全班都吓了一跳。。

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本人亲历:
82年(?)、雨季、黄昏,未打雷,天阴沉,我在喂猪,猪厩小窗户中突然 飘进一直径约10cm、亮桔黄色的东西。我用手扇了扇它,它像蝴蝶一样就自我头顶飘至院子,然后直奔入户交流220V配电板,一撞上就爆炸了。那响声足有250g铵梯炸药空爆那么响,但爆力没有炸药的大,把电度表、磁闸、磁保险座等全炸飞了。配电板下见铁渣、磁渣(少量)及一些碎片。

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瓜果皮核旅游爱好者,生物学爱好者

2014-01-20 22:30

我个人对于球形闪电最早的印象应该是动画片。。。。。。黑猫警长。隐约记得是讲因为球形闪电造成火灾,但是由于我的年少无知加上诡异的配乐,真的是好久好久都很害怕的说。。。。

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SHGKG苦逼在校大学生一枚

2014-01-20 13:59
支持者: .Mocha 就还没睡醒

老刘的小说好多人看啊,瞬间有一种归属感

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支持者: 失魂棒

初中暑假在家玩电脑 正赶上下雨打雷 犹豫闭不闭电脑 望窗望看 正好对面小矮楼顶一个白球突然炸开 声音巨大 整的屋里嗡嗡直响 感觉电脑都嗡一下 持续也就一秒 直接拔电源跑了

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最终叹息人工智能爱好者

2014-01-20 13:18

现在手机这么发达了居然还没有人能拍下来啊?

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最早的记载应该是周武王伐纣:武王渡河,中流,白鱼跃入王舟中,武王俯取以祭。既渡,有火自上复于下,至于王屋,流为乌,其色赤,其声魄云。史记

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存在几秒钟就会爆炸?那我见过的从厨房窗户(纱窗关着,不清楚纱窗是否金属材质)飘进来,飘进卧室转一圈然后又从厨房窗户原路飞出去的橙色的直径20-30cm的发光球体是什么???

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關7人事語無倫次得9閒上班族

2014-01-21 10:40

以現有的科技可以人造閃電球嗎?~?~

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听村里老人多次谈起过红色的大火球在钻进人家里的说法,然后很有幸的在一个雨夜我家的电视加手柄游戏机被雷劈了,桌子都给炸掉一小块。时候下方的邻居说当天晚上看见一个红色的火球钻进了我们家,可惜至始至终我都不在现场,家里人也没醒。。。

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很小的时候也见过,黄色的小圆球从窗户进来然后消失,直径估计只有2-5cm,没听到巨响。小时候以为见鬼了,虽说高中看过《球状闪电》但是没联系起来,今天突然觉得小时候看到的应该是球状闪电。

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突然发现大果壳居然没有三体小组,是怕成贴吧吗

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球状闪电其实是中子微粒在空气中形成的等离子球体。如果要证实,需要在真空中用磁约束捕获中子,中子会自己聚到一起,达到较大颗粒后用磁场将中子颗粒发射到空气中就能看到人造的球形闪电了。

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这玩意估计其实不神秘,可能就是常规的东西,只不过十分罕见,有没有规律,导致难以捕捉到,所以没法验证任何模型。

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除了刘慈欣的宏原子理论外,其他理论都解释不了球形闪电最著名的选择性释放能量的特性吧?

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