愛華網(wǎng)???? 球狀閃電特指在某些雷暴過程期間出現(xiàn)的一種運(yùn)動著的發(fā)光球體，通常發(fā)生在地閃之后，形狀呈球形、卵形、淚狀物、或者呈桿狀，有的球形周圍具有絲狀物，不同的球狀閃電可能對應(yīng)不同的形成機(jī)理。一個典型的球狀閃電有桔子或小柚子那么大，也有的呈高爾夫球和籃球那么大，平均大小為30 cm，亮度相當(dāng)于200 W以內(nèi)的燈泡，持續(xù)時間幾秒至10 s左右?？梢猿尸F(xiàn)紅色、桔黃色、亮白色，藍(lán)色，甚至可以是綠色和透明。球狀閃電的亮度在整個持續(xù)時間內(nèi)一般比較均勻恒定，可以保持其形狀、亮度和大小約幾秒鐘甚至更長的時間。主要沿水平方向移動，不會像熱氣球一樣明顯上升，呈懸浮或螺旋式移動。慢慢消失、或突然破裂消失。球狀閃電有時好像被周圍的物體所吸引，有的似乎隨機(jī)飄動，持續(xù)幾秒鐘后，好像被吸收進(jìn)某些物體，或似乎發(fā)生反彈。球狀閃電可以穿越玻璃窗或金屬窗的阻礙，出現(xiàn)在軍用或民用飛機(jī)中，也可出現(xiàn)在電力部門大電壓、高功率開關(guān)附近。有的球狀閃電伴隨有明顯的類似臭氧的氣味，或者像燃燒的硫和氧化氮，或者燒焦的氣味。人類很少被球狀閃電所傷及，18世紀(jì)和19世紀(jì)報道的球狀閃電傷人事件也可能是由于通常的閃電或者流星，當(dāng)時人們將球狀閃電和流星統(tǒng)稱為“火球”。 1 球狀閃電的一般理論 不同的球狀閃電可能意味著存在多種不同的物理機(jī)制。有關(guān)球狀閃電的理論很多，對其關(guān)注點(diǎn)主要集中在球狀閃電是如何形成的、以及能量是如何供給的這兩個問題上。但有一些理論基本是推測或假說，如正負(fù)電子湮滅機(jī)制、小黑洞假說、宇宙射線的聚焦效應(yīng)等等。大致上，球狀閃電的形成機(jī)制一般分為兩類。一類認(rèn)為，球狀閃電的動力和能量來源是其內(nèi)部發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)，最典型的是Abrahamson和Dinniss[1]提出的觀點(diǎn)。他們認(rèn)為球狀閃電是由于雷擊土壤時，局部高溫使得土壤中SiO2的硅元素被還原和再次氧化過程中形成的。沙石土壤中，碳元素的含量一般約為2~4%，在富含有機(jī)物的土壤中可能達(dá)到10%，有的甚至達(dá)到20%。而硅元素的含量通常介于20~35%。當(dāng)雷電擊中沙石地面時，產(chǎn)生的高溫可能形成閃電熔巖，有人認(rèn)為熔巖形成過程中伴隨著球狀閃電的產(chǎn)生。閃電的高溫引起土壤中碳元素和二氧化硅發(fā)生還原反應(yīng)，產(chǎn)生單質(zhì)硅。當(dāng)溫度下降后，云霧狀的液態(tài)或汽態(tài)納米級硅粒子發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量維持球狀閃電的溫度和光輻射。但同時硅粒表面氧化層的形成，阻礙了氧氣與單質(zhì)硅的接觸，化學(xué)反應(yīng)迅速下降。Abrahamson和Dinniss認(rèn)為銅和鋁等金屬原子在電弧放電產(chǎn)生的高溫下也可能形成類似球狀閃電的特點(diǎn)，他們的這個觀點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)室人工球狀閃電的研究提供了理論支持。 另一類認(rèn)為，球狀閃電的能量來源是外部電磁環(huán)境。Dawson和Jennison[2]認(rèn)為，在微波輻射場中，如果存在很強(qiáng)的一束電磁脈沖，使得空氣被局部電離擊穿，則球狀閃電可能形成，微波輻射場是球狀閃電自持發(fā)展并維持比較恒定亮度的能量來源。同時，他們指出，如果將微波輻射場被局限在一個腔體中發(fā)生干涉效應(yīng)形成駐波，則在波腹位置處發(fā)生球狀閃電的可能性更大。Endean[3]指出，如果電磁場能量被陷進(jìn)等離子體空腔，則由于電磁波在短時間內(nèi)無法逸出，從而維持了球狀閃電持續(xù)時間長達(dá)10 s左右，亮度恒定，這類似于黑體輻射。這種陷進(jìn)去的電磁波可能是行波、也可能是駐波。 2 驗(yàn)室人造球狀閃電 為了定量而系統(tǒng)的研究球狀閃電的形成機(jī)理和放電特征，大量的研究人員進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室焊接電弧對鹽水、單質(zhì)硅、鋁、鐵和銅等不同材料放電時，可能產(chǎn)生一“火球”，從持續(xù)時間、形狀、運(yùn)動特點(diǎn)和顏色等許多方面，出現(xiàn)的火球非常似于自然球狀閃電，這為近距離、定量化的模擬研究球狀閃電特點(diǎn)提供了可能。下面對一些重要的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行闡述。 Singer利用實(shí)驗(yàn)方法產(chǎn)生和復(fù)制了“人造球狀閃電”，得到了直徑不到1 m的緩慢移動的桔紅色等離子體球體，能夠穿透窗戶。這些球很不穩(wěn)定，而且會隨著一種可怕的爆炸而消失。Versteegh等利用電容為1 mF，電壓為4.8 V的焊接電弧對鹽水表面進(jìn)行放電，沖擊電流強(qiáng)度為10~100 A，水中添加了CaCl2物質(zhì)。在電擊后2 ms出現(xiàn)，持續(xù)時間為0.5 s左右，火球的直徑最大為0.2 m。從火球開始出現(xiàn)到70 ms，電子密度從1022 m-3遞減為1020 m-3；電子溫度也呈快速下降，在整個生命周期內(nèi)，從5000 K遞減為2000 K，中性粒子溫度超過1300 K。從光譜分析發(fā)現(xiàn)，水的電解物和鈣元素之間的光化學(xué)反應(yīng)是火球光輻射的能量源。火球溫度明顯不均勻，核心部分比周圍亮，且左右擺動。Versteegh等利用類似的方法，發(fā)現(xiàn)焊接電弧對飲用水或含有鈣、鋰或銅鹽等離子的水表面產(chǎn)生火焰狀的球體。因此，在水面形成的火球其實(shí)是冷的等離子體團(tuán)。 Paiva等觀測發(fā)現(xiàn)，高壓電極和純金屬或固體硅之間的焊接電弧放電也可能產(chǎn)生一種發(fā)出熾熱白光的火球，直徑為0.1~1 mm的發(fā)光球體，類似于焊接電弧放電。這種火球也類似于自然球狀閃電的大多數(shù)特點(diǎn)[2]。結(jié)果表明，火球大小為1~4 cm，生命周圍為8 s以內(nèi)，冷卻消失時間僅為1 s?；鹎蚍至褧r亮度不變?；鹎蛟谥亓ψ饔孟?，掉到地面，從地面反彈高度為5~20 cm，估算的平均速度為5~30 cm/s?；鹎蚩梢糟@進(jìn)比自身小很多的地面的一個空隙，火球尾部留下的煙呈螺旋狀，說明火球運(yùn)功路徑飄忽不定。這些特征與目擊者看到的自然球狀閃電很相似。焊接電弧對玻璃和樹木的電擊實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)類似的呈紅色或白色的火球。 與Paiva等的實(shí)驗(yàn)類似，Stephan和Massey利用 48 V/100 A的電弧焊機(jī)對厚度為0.5 cm、長寬分別為1 cm和2~4 cm的純硅片進(jìn)行電擊實(shí)驗(yàn)。他們提出了一些新的觀點(diǎn)，認(rèn)為在高溫下的納米級硅粒子形成的是煙或者蒸氣，不是球狀閃電的能量來源，真正的能量來源是毫米尺度的小液滴硅的氧化反應(yīng)，這與Abrahamson和Dinniss的觀點(diǎn)是不一致的。受熱的液態(tài)硅片很容易發(fā)生氧化，氧化物有二氧化硅和一氧化硅，二氧化硅的產(chǎn)生為火球提供能量的同時，迅速形成一層保護(hù)層，厚度為微米級，迅速減弱氧化過程。而一氧化硅在2153 K以上時極易揮發(fā)或蒸發(fā)，硅燃燒時的白色煙霧主要是納米級的一氧化硅。在火球的整個生命期內(nèi)，球體周圍被白色的煙或霧籠罩，煙霧粒子的大小約為1 mm，球體中心是液態(tài)硅核，大小為1 mm量級，硅核周圍是一薄薄的氧化層。液態(tài)硅表面具有很大的表面張力，約800 mN/m，球形粒子的形成與此有關(guān)。火球在2800~3400 K范圍的光輻射特征大致和黑體輻射一致，基于Planck輻射理論，根據(jù)火球的光輻射特征，估算的其核心溫度為3140 K。硅片點(diǎn)燃的最低溫度為2800 K，液化的溫度為1688 K，氣化的溫度為3538 K以上。焊接過程中，融化的硅金屬溫度約為3100 K。因此，根據(jù)估算的火球最高溫度（3140 K），參加氧化過程主要是毫米級的液態(tài)硅粒子。 上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本證實(shí)了Abrahamson和Dinniss提出的第一類球狀閃電的理論觀點(diǎn)。另外，為了檢驗(yàn)第二類球狀閃電的形成機(jī)理，許多研究者進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。Ohtsuki和Ofuruton[4]利用微波干涉技術(shù)，在金屬腔體中制造了一個火球，但其持續(xù)時間遠(yuǎn)小于自然球狀閃電。金屬空腔可以對微波電磁場產(chǎn)生干涉形成駐波，在某些區(qū)域干涉加強(qiáng)。造出的火球能沿著導(dǎo)線移動、穿過瓷盤和逆著風(fēng)移動，這三個特點(diǎn)與有些球狀閃電的報道是一致的。 由于自然球狀閃電極少發(fā)生，同時由于目擊者視覺的偏差和心理作用的影響，給球狀閃電披上了一層神秘的面紗，上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果只能在一定層面上解釋自然球狀閃電的形成機(jī)理和運(yùn)動特點(diǎn)，球狀閃電更詳細(xì)的物理本質(zhì)還有待將來實(shí)驗(yàn)和理論的不斷揭示。
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