來無影去無蹤的詭異閃電

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2019
08/02
科技日報
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進入夏季,雨水增多,打雷打閃是再平常不過的天氣現象了,但是你知道有一種閃電榮登地球未解之謎的行列嗎?那就是球狀閃電,它神秘莫測讓人難以捉摸,總是神出鬼沒地出現在世界的某個角落。很多年來科學家們愣是沒搞清楚它產生的原理。

正因為神秘,科幻作家劉慈欣才以其為題材寫就了長篇小說《球狀閃電》。小說中,講述了在一個離奇的雨夜,一顆球狀閃電闖進了一個原本溫暖的三口之家。閃電極速前進,眨眼間將少年的父母化為灰燼,少年與父母陰陽兩隔,命運被瞬間改寫。從此,心存不甘的少年用其一生的時間,試圖揭開這個讓他在懵懂的年齡變得孤獨而無助的自然之謎……

神出鬼沒的球狀閃電

五顏六色、十分罕見,會突然爆炸也會安靜消失

“球狀閃電,老百姓俗稱滾地雷。這是一種真實的物理現象,通常在雷暴時發生,它十分明亮,直徑約15至40厘米不等。”象輯科技氣象技術專家歐波告訴科技日報記者,球狀閃電通常僅維持數秒,但也有維持1至2分鐘的記錄。顏色除常見的橙色和紅色外,還有黃色、紫色、藍色、亮白色、幽綠色的光環,色彩多種多樣。

中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室副主任呂偉濤也表示,球狀閃電是自然界中一種非常罕見的物理現象,與生活中常見的云間閃電和云地閃電相比,球狀閃電因為非常少,所以很難觀測到,對球狀閃電的記錄大多都是目擊者的表述。球狀閃電通常伴隨雷暴天氣中的云地閃電發生,有時是靜止的,但大部分會水平移動。它會突然爆炸,也會安靜地消失,有些會伴隨著臭味和燒焦味。

記者查詢資料發現,根據已有記載,歷史上首次發現球狀閃電是在1638年,英國圣潘克拉斯教堂正在舉行禮拜儀式,突然一個直徑大約2.4米的大火球破墻而入,在教堂中亂串,破壞了窗戶玻璃和桌椅,教堂里充斥著濃烈的黑煙和熏人的硫磺氣味,導致4名教區居民當場死亡,約60人負傷。

在國內,2012年,蘭州西北師范大學的研究人員在一個雷暴天氣繪制輻射地圖時,用光譜設備意外地捕捉到一次球狀閃電。他們發現,一個發光球體緩慢地從地面探出“超大號腦袋”,直徑約5米,閃現2秒,在地面極速穿梭15米就銷聲匿跡。這被認為是自然界球狀閃電的第一次科學記錄。

形成原因學界莫衷一是

由聚合體細絲、硅納米微粒還是小水滴組成尚無定論

球狀閃電的真身難得一見,而它到底來自何處就更難說清。

“關于球狀閃電的產生原因,科學界還沒有明確統一的答案。其中,一方面是因為個例過少、難以發現,另一方面則緣于人類對自然認知和手段的局限等。”歐波說。幾十年來,關于球狀閃電產生的原理,陸續有科學家提出了一些研究推測。

早在1955年,蘇聯物理學家便提出球狀閃電是雷暴中產生的電磁干擾效應引起的。1998年,一位西班牙物理學家認為,球狀閃電的成因并不神秘,很可能是閃電產生過程中,磁場約束發光等離子體形成。按照這一理論,球狀閃電絕大部分較冷,但在沿磁力線方向局部溫度則極高。研究人員指出,據此就可很好地解釋為什么球狀閃電并不發熱而觸到物體后往往容易著火。

2000年,兩位新西蘭科學家提出,當一般的枝狀閃電擊到土壤中,土壤中的礦物質會轉換成納米純硅和硅化合物顆粒。這些尺寸不足十分之一微米的微型顆粒,會在閃電的能量作用下由土壤蒸發進入大氣。這一過程,就像抽煙者從嘴中吐出煙圈。進入大氣的含硅顆粒會首先連接成鏈,然后組成能隨氣流運動的球狀細絲網。該球狀細絲網中的顆粒具有很高活性,會在特定條件下緩慢燃燒,并釋放出光和熱而形成所謂球狀閃電。使用光譜設備抓住了球狀閃電的蘭州西北師范大學研究人員,識別出構成球狀閃電的主要元素包括鐵、硅、鈣,其成分與土壤的主要成分相同,也認為球狀閃電是由于普通閃電與地面相互撞擊而引發的,當閃電擊中土壤或巖石時,閃電的能量瞬間蒸發土壤中的二氧化硅,再以某種方法將氧氣從二氧化硅中分離出去,得到相對純凈的硅蒸氣,球形的硅蒸氣再次與空氣中的氧結合產生熱量,迸發出光亮。

2002年1月15日,英國皇家學會在其學術雜志《哲學學報》的專刊上發表了一組有關球狀閃電的文章。這些文章包括3種球狀閃電成因理論。

第一種理論認為,球狀閃電是由含有水合離子的小水滴組成的,它通過離子反應來釋放能量。在這個理論中,球狀閃電是一個包含等離子體的電化學結構,這一結構是由溫度、壓力、電磁場和重力場的微妙平衡來維持的;第二種理論認為,球狀閃電是由聚合體細絲纏繞而成,通過表面放電來釋放能量。在該理論中,灰塵中的自然微粒,像來源于纖維素、煤煙或硅土中的微粒都能形成細絲狀結構,這些細絲聚合起來就變成了一個高度充電的球體,當它表面放電時,就發出了光和熱;第三種理論認為,球狀閃電是由金屬納米粒子鏈構成,其能量釋放是通過金屬納米粒子的表面氧化來進行的。在這個理論中,普通的閃電能引起像土壤或木材這樣的物質釋放金屬蒸氣,這種帶電的金屬蒸氣濃縮成一個網狀的金屬納米粒子球。

“上述3個理論都有一定的道理,特別是第三個理論,可以解釋為什么球狀閃電能夠穿過墻壁和關著的窗子,似乎更有說服力。”歐波說。

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球狀閃電危害極大防范困難

普通閃電持續時間一般為幾十微秒,球狀閃電卻可持續幾秒甚至幾分鐘。到底是怎樣一股力量讓它的壽命異于普通閃電,至今科學家們依然沒有定論。但毫無疑問地是,球狀閃電的危害是極大的。

“它可以隨氣流起伏,也可以隨著帶電的空氣團流動。它可以進入室內,常見的是穿過煙囪后進入建筑物。它甚至可以在導線上滑動,有時會懸停,有時會無聲消失,有時又會因為碰到障礙物爆炸。由于行蹤不定,所以球狀閃電的危害較大。”歐波說。

來無影、去無蹤,生活中,公眾究竟該如何防范球狀閃電呢?

對此,呂偉濤表示,由于球狀閃電本身非常罕見,對其危害性的觀測和研究很少,所以并沒有特別好的防范方法。

歐波認為,球狀閃電是雷暴天氣時大氣集中放電的一種現象,只不過與一般的枝狀閃電相比,它的形狀更為獨立,移動更為特殊和不規則,因此防范起來有很大的困難。主要的防范辦法還是在雷電天氣下注意做好自身防護,如不要停留在空曠地帶,盡量不要開車和接打電話,身處室內關閉門窗、關閉電源,遠離無防雷措施的建筑物等。

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