球状闪电的可能形成机理
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作者: 尹少春
球状闪电特指在某些雷暴过程期间出现的一种运动着的发光球体，通常发生在地闪之后，形状呈球形、卵形、泪状物、或者呈杆状，有的球形周围具有丝状物，不同的球状闪电可能对应不同的形成机理。一个典型的球状闪电有桔子或小柚子那么大，也有的呈高尔夫球和篮球那么大，平均大小为30cm，亮度相当于200W以内的灯泡，持续时间几秒至10s左右。可以呈现红色、桔黄色、亮白色，蓝色，甚至可以是绿色和透明。球状闪电的亮度在整个持续时间内一般比较均匀恒定，可以保持其形状、亮度和大小约几秒钟甚至更长的时间。主要沿水平方向移动，不会像热气球一样明显上升，呈悬浮或螺旋式移动。慢慢消失、或突然破裂消失。球状闪电有时好像被周围的物体所吸引，有的似乎随机飘动，持续几秒钟后，好像被吸收进某些物体，或似乎发生反弹。球状闪电可以穿越玻璃窗或金属窗的阻碍，出现在军用或民用飞机中，也可出现在电力部门大电压、高功率开关附近。有的球状闪电伴随有明显的类似臭氧的气味，或者像燃烧的硫和氧化氮，或者烧焦的气味。人类很少被球状闪电所伤及，18世纪和19世纪报道的球状闪电伤人事件也可能是由于通常的闪电或者流星，当时人们将球状闪电和流星统称为“火球”。
球状闪电的一般理论
不同的球状闪电可能意味着存在多种不同的物理机制。有关球状闪电的理论很多，对其关注点主要集中在球状闪电是如何形成的、以及能量是如何供给的这两个问题上。但有一些理论基本是推测或假说，如正负电子湮灭机制、小黑洞假说、宇宙射线的聚焦效应等等。大致上，球状闪电的形成机制一般分为两类。一类认为，球状闪电的动力和能量来源是其内部发生的光化学反应，最典型的是Abrahamson和Dinniss提出的观点。他们认为球状闪电是由于雷击土壤时，局部高温使得土壤中SiO2的硅元素被还原和再次氧化过程中形成的。沙石土壤中，碳元素的含量一般约为2～4%，在富含有机物的土壤中可能达到10%，有的甚至达到20%。而硅元素的含量通常介于20～35%。当雷电击中沙石地面时，产生的高温可能形成闪电熔岩，有人认为熔岩形成过程中伴随着球状闪电的产生。闪电的高温引起土壤中碳元素和二氧化硅发生还原反应，产生单质硅。当温度下降后，云雾状的液态或汽态纳米级硅粒子发生氧化反应，产生的热量维持球状闪电的温度和光辐射。但同时硅粒表面氧化层的形成，阻碍了氧气与单质硅的接触，化学反应迅速下降。Abrahamson和Dinniss认为铜和铝等金属原子在电弧放电产生的高温下也可能形成类似球状闪电的特点，他们的这个观点为实验室人工球状闪电的研究提供了理论支持。
另一类认为，球状闪电的能量来源是外部电磁环境。Dawson和Jennison认为，在微波辐射场中，如果存在很强的一束电磁脉冲，使得空气被局部电离击穿，则球状闪电可能形成，微波辐射场是球状闪电自持发展并维持比较恒定亮度的能量来源。同时，他们指出，如果将微波辐射场被局限在一个腔体中发生干涉效应形成驻波，则在波腹位置处发生球状闪电的可能性更大。Endean指出，如果电磁场能量被陷进等离子体空腔，则由于电磁波在短时间内无法逸出，从而维持了球状闪电持续时间长达10s左右，亮度恒定，这类似于黑体辐射。这种陷进去的电磁波可能是行波、也可能是驻波。
验室人造球状闪电
为了定量而系统的研究球状闪电的形成机理和放电特征，大量的研究人员进行了相应的实验研究。他们发现，当实验室焊接电弧对盐水、单质硅、铝、铁和铜等不同材料放电时，可能产生一“火球”，从持续时间、形状、运动特点和颜色等许多方面，出现的火球非常似于自然球状闪电，这为近距离、定量化的模拟研究球状闪电特点提供了可能。下面对一些重要的实验现象进行阐述。
Singer利用实验方法产生和复制了“人造球状闪电”，得到了直径不到1m的缓慢移动的桔红色等离子体球体，能够穿透窗户。这些球很不稳定，而且会随着一种可怕的爆炸而消失。Versteegh等利用电容为1mF，电压为4.8V的焊接电弧对盐水表面进行放电，冲击电流强度为10～100A，水中添加了CaCl2物质。在电击后2ms出现，持续时间为0.5s左右，火球的直径最大为0.2m。从火球开始出现到70ms，电子密度从1022m3递减为1020m3；电子温度也呈快速下降，在整个生命周期内，从5000K递减为2000K，中性粒子温度超过1300K。从光谱分析发现，水的电解物和钙元素之间的光化学反应是火球光辐射的能量源。火球温度明显不均匀，核心部分比周围亮，且左右摆动。Versteegh等利用类似的方法，发现焊接电弧对饮用水或含有钙、锂或铜盐等离子的水表面产生火焰状的球体。因此，在水面形成的火球其实是冷的等离子体团。
Paiva等观测发现，高压电极和纯金属或固体硅之间的焊接电弧放电也可能产生一种发出炽热白光的火球，直径为0.1～1mm的发光球体，类似于焊接电弧放电。这种火球也类似于自然球状闪电的大多数特点。结果表明，火球大小为1～4cm，生命周围为8s以内，冷却消失时间仅为1s。火球分裂时亮度不变。火球在重力作用下，掉到地面，从地面反弹高度为5～20cm，估算的平均速度为5～30cm/s。火球可以钻进比自身小很多的地面的一个空隙，火球尾部留下的烟呈螺旋状，说明火球运功路径飘忽不定。这些特征与目击者看到的自然球状闪电很相似。焊接电弧对玻璃和树木的电击实验也发现类似的呈红色或白色的火球。
与Paiva等的实验类似，Stephan和Massey利用48V/100A的电弧焊机对厚度为0.5cm、长宽分别为1cm和2～4cm的纯硅片进行电击实验。他们提出了一些新的观点，认为在高温下的纳米级硅粒子形成的是烟或者蒸气，不是球状闪电的能量来源，真正的能量来源是毫米尺度的小液滴硅的氧化反应，这与Abrahamson和Dinniss的观点是不一致的。受热的液态硅片很容易发生氧化，氧化物有二氧化硅和一氧化硅，二氧化硅的产生为火球提供能量的同时，迅速形成一层保护层，厚度为微米级，迅速减弱氧化过程。而一氧化硅在2153K以上时极易挥发或蒸发，硅燃烧时的白色烟雾主要是纳米级的一氧化硅。在火球的整个生命期内，球体周围被白色的烟或雾笼罩，烟雾粒子的大小约为1mm，球体中心是液态硅核，大小为1mm量级，硅核周围是一薄薄的氧化层。液态硅表面具有很大的表面张力，约800mN/m，球形粒子的形成与此有关。火球在2800～3400K范围的光辐射特征大致和黑体辐射一致，基于Planck辐射理论，根据火球的光辐射特征，估算的其核心温度为3140K。硅片点燃的最低温度为2800K，液化的温度为1688K，气化的温度为3538K以上。焊接过程中，融化的硅金属温度约为3100K。因此，根据估算的火球最高温度（3140K），参加氧化过程主要是毫米级的液态硅粒子。
上述实验结果基本证实了Abrahamson和Dinniss提出的第一类球状闪电的理论观点。另外，为了检验第二类球状闪电的形成机理，许多研究者进行了相应的实验研究。Ohtsuki和Ofuruton利用微波干涉技术，在金属腔体中制造了一个火球，但其持续时间远小于自然球状闪电。金属空腔可以对微波电磁场产生干涉形成驻波，在某些区域干涉加强。造出的火球能沿着导线移动、穿过瓷盘和逆着风移动，这三个特点与有些球状闪电的报道是一致的。
由于自然球状闪电极少发生，同时由于目击者视觉的偏差和心理作用的影响，给球状闪电披上了一层神秘的面纱，上述实验结果只能在一定层面上解释自然球状闪电的形成机理和运动特点，球状闪电更详细的物理本质还有待将来实验和理论的不断揭示。
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