瘦成一道闪电?你可能没见过胖成球的
2021-03-02 11:25

瘦成一道闪电?你可能没见过胖成球的

本文来自微信公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:沈梦溪,头图来自:视觉中国


从人类有文明以来,我们就不断观测着世界上的各种自然现象,从雨水、冰雹、龙卷风、闪电这种气候现象,到日食、月食等大型天文现象。经过长时间的观测和记录之后,到了现代,我们对于其中绝大部分的现象都能够进行完美的科学解释,但是其中有一种现象从一千多年前就被记录了下来,我们至今仍未能搞清楚它的发生原因,这种现象就是球状闪电。


疑似出现在西伯利亚的球状闪电 图/Youtube视频截图


我们人类很早之前就发现了球状闪电的现象,古希腊时期就有这方面的记录,而且也记录到了球状闪电穿越墙壁从户外窜进室内的现象。


在中国,比较早的关于球状闪电的记录来自于大名鼎鼎的北宋学者沈括,他在《梦溪笔谈》中就记录了一个关于球状闪电的故事:北宋一个叫做李舜举的官员,有一次球状闪电进了他家里,他家人以为屋子会被雷给烧毁,但是并没有,屋子里面只有金银铜铁器这些金属器物被球状闪电熔毁了,其它的家具都好端端一点都没有烧灼的迹象,他家有把宝刀插在刀鞘里面,结果刀身被熔成了铁水,但刀鞘居然完好无损。此外,明朝著名人物张居正也记录到过一个绿色的球状闪电穿越他家墙壁,最后飘飘荡荡没入厨房的水缸中。


1901年的一次球状闪电从窗外进入室内的目击事件记录 图/Wikipedia


我们日常见到的闪电都是线状闪电,初高中的物理知识也告诉我们,闪电的形成是由于云层下方带有大量负电荷,地面带有正电荷,正负电荷相互吸引,击穿空气形成的。但是,这种情况下所形成的闪电基本上都是放射状或者是线状的,绝无可能出现球状。


常见的闪电绝大多数都是线状或是放射状的 图/Pixabay


到了现代,由于信息沟通的便捷,人们记录到的球状闪电现象也越来越多,不仅在户外田野中,房屋里,甚至在飞机上都发现过球状闪电,民间的传闻多如牛毛,正式的科学报告也数不胜数。从这些目击报告中,科学家们归纳出来了球状闪电的一些特征:


首先,球状闪电的出现与普通闪电息息相关,一般出现在闪电或是雷暴之后,它们的尺寸在10厘米到数十厘米之间,只有极少数情况才能到达米级,而且颜色各异,绿色、蓝色、紫色、白色、红色等都可能出现。


球状闪电的出现与闪电息息相关 图/Youtube视频截图


球状闪电的颜色也很多样 图/Youtube视频截图


其次,球状闪电既可以出现在户外,也可以突然出现在室内,或者能够穿越玻璃窗户从室外进入室内;


另外,这个小东西它会飞,有时候在空中一动不动,有时候则能漂浮着乱窜,这里的乱,真的是字面意义上的乱——它的运动方式经常不讲基本法,与气体热对流的行为不一致!明明外面狂风大作,它却能匀速笔直地稳定前进,有时候明明在室内一点风也没有,但是却能够以蛇皮走位窜来窜去。


疑似运动中的球状闪电记录 图/Youtube视频截图


不过,就目前的目击事件来说,球状闪电的危害性似乎比闪电要小一些,国内外球状闪电击中人之后,极少发生死亡事件,大多只是烧伤,并很快就恢复了。在2006年,南方医科大学南方医院烧伤科就报道过一例因球状闪电而烧伤的情况:一个15岁少年在室内劳作,在室外的天空中出现了电闪雷鸣之后,一团直径约10厘米的球状闪电突然出现,并从他的右腿裤管处钻入,然后这个少年顿时下肢麻木,意识丧失,被送进了医院。当然,幸运的是,他受伤并不严重,很快就被治愈了。


球状闪电的这些奇异之处让它蒙上了一层神秘的面纱,中国著名科幻作家刘慈欣就曾经写过一本科幻小说《球状闪电》,在这本小说中,人们在将球状闪电研究透彻之后,甚至以球状闪电作为武器应用到战场之上。


但是可惜的是,由于球状闪电现象极为罕见,我们未能拿到足够的观测样本,虽然网上流传的视频和图片很多,但是绝大部分真假难辨,也不太具有科研价值。


一直到2012年,才有科学家提出一个有科学根据的球状闪电形成理论:气化硅理论。这个理论认为球状闪电的形成是由于闪电集中地面以后,极高的能量将土壤中的硅元素加热气化,气化的硅元素呈团状与空气中的氧气发生化学反应,于是释放出光和热,这就形成了我们所见到的球状闪电。科学家们甚至在实验室中模拟出了这个过程:


气化硅理论制作出来的光球 图/Youtube视频截图


但是这个理论也有很大的缺陷,那就是在这个理论中,气化硅团无法穿越玻璃,而且也会受到气流的影响,无法产生狂风中无动于衷或者是无风下蛇皮走位的种种特效。


不过,到了2014年,中国科学家在甘肃拍摄到了世界上第一份被科学界公认的球状闪电视频。通过对这个球状闪电的光谱分析,科学家们发现其中确实有硅的光谱,这至少说明球状闪电确实是由于闪电击中地面后产生的。


中国科学家利用高速摄像机拍摄到的球状闪电及其光谱,左边为球状闪电,右边为其光谱 图/J. Cen, P. Yuan, and S. Xue, Phys. Rev. Lett. (2014)


得益于这个球状闪电的光谱分析视频以及论文,浙大的科学家又提出一个微波空腔理论,这个理论认为在闪电击打地面的时候,会产生一团数量高达1014个的高能电子团,这团电子团在与土壤接触后会形成一个高能微波场,这些微波与空气中的等离子体发生反应以后,就能够形成球状闪电。由于微波实际上是电磁波,所以它自然就能够穿墙了,而且由于这是一个电磁场,质量几乎为零,它自然也就不会受到气流的影响。


球状闪电的微波空腔理论 图/B站@科学有声音‍


这个理论当然也存在问题,比如这个理论中球状闪电与闪电击中地面的区域应该不远,否则能量将会极大衰减,所以在这个理论中,球状闪电与闪电之间的距离应该小于1km,但是在实际观察到的球状闪电中,有些却与闪电距离接近10km。


不过,这个理论建立了闪电和球状闪电之间的联系,也很好解释了球状闪电的各种奇异特性,是目前最广为认可的一个理论,而且科学家们正在对此进行实验验证,如果一切顺利的话,我们可能在几年之内就能够解开球状闪电的谜团。


本文来自微信公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:万物

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