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修改:诡异神秘球状闪电探秘

投稿时间:2020-03-01 18:02 投稿人:杨凯 【字号: 访问量:


中科院空天信息创新研究院

老科协电子学分会

杨凯

 

   球闪现象,诡异神秘,据目击报告,依电子学理论研究其电荷运动状态,可初步认清球闪的形成机理、漂移特征和消失原因。

   已知强烈闪电可现地面多次回击,以多次大电流方式来完成云中庞大电荷量的泄放。

  亦有罕见例外,在强烈闪电时,出现珠状闪电悬挂在天空中,远看像一长串珍珠。闪电通道起初是直的,随后越来越弯曲,在弯曲后出现较大的珠,小珠消失后,这些大珠仍然可见。直径都有40cm左右,可见时间达0.3s。有时,一个或两个较大的珠持续时间特别长,以1m/s~2m/s的速度在天空中飘游。

  有罕见事,自有罕见缘故。闪电大电流入地,地电位立马飚升,必有很强的电热能,促使土地迅速升温,首先是水蒸发,若水不多,土地就干得快,强闪电又是最强的电热能源。所以有强闪电再加上积水少的条件,最有可能造成:仅仅最初入地的大电流就能将土地烧结成绝缘陶土,阻断入地通道。后续的闪电就此挂在空中,形成球闪。有球闪目击报告佐证:

   在强雷暴时观察到一个直径约1.5m的蓝白色大圆球,静止地出现在树林中最高的树顶上,并听到不常有的嘶裂声。它消失时,爆炸声与2kg硝化纤维炸药的爆炸声不相上下。

  强雷暴,那必先击中最高的树顶。同一处落下球闪,却入不了地,堪作佐证实例。

  闪电悬挂空中,弯曲成球,顺理成章。谓球状闪电,顾名思义,球,特立独行。闪电,球内有电离及复合释放光子的等离子体。

  悬挂闪电所余下的绝大部分电荷都不见了,究其原因,等离子体解体,散开了,转化为大气空间电荷,无光子释放,隐身了!短时间内,它格外形成的特征却不可忽视:密度甚大,电荷静电场力有作为,群体体量很可观,可称其为稳态密集空间电荷区。球闪跻身于其中,有足够强的静电场支撑而生存活动。密集空间电荷还会继续扩散,直到不密集了,电荷静电场弱了!,球闪亦就同命运共隐身为大气空间电荷了。

   再说那最高树冠已插入大球闪,那些树冠叶片正反面正在复合球闪的正负离子,复合作用之强达到了能出声的效果。

   同时,树林正上方的密集空间电荷正在扩散,被下方树林的树叶吸附,又相继复合掉,于是密集空间电荷向下扩散速度与复合速度都大大加快了。先是把球闪垂直裹挟下来,自身还是持续着快速向下扩散复合消耗。当密集空间电荷过早地变得不再密集,结果就是大球闪爆炸而终。

   球闪能穿越金属,确实显得很神秘。请看目击实例:

   一架伊柳辛18飞机在飞行中与一个大而明亮的火球相撞,飞机被猛烈地震动了一下,机组人员在一瞬间变得什么都看不见了。

   所谓相撞,实质是,一瞬间,大球闪内正负等离子迎头砸向机头金属体密密深度接触,急速复合,瞬间释放热能,快速升温的空气猛烈膨胀,产生了猛烈震动一下的效果。

   飞机一头扎进了球闪,也是等离子体穿进了机舱。

   此等穿越金属之事,说穿了很简单。譬如说,竖起一根电线引下闪电,无论正负电荷的任何情况,只要从上端放电进入,下端放电出来的都能实时传递出来。同样,球闪的等离子也是正负电荷,穿过金属就不该例外。只是闪电是依靠大气电场驱动穿越金属。球闪呢?它离不开密集空间电荷,同样是在密集空间电荷的扩散作用力推动球闪一起穿过金属。

   最难理解的是何以支撑球闪的寿命。

   有一起目击报告说:“我坐在由纽约飞往华盛顿的客机机舱前部。机舱为全金属材料。后半夜,遇雷暴,飞机被强光和激烈的放电所笼罩,突然有一个直径稍大于20cm的炽热火球在驾驶舱内出现,随后落到离我约50cm处的走道上,沿着整个机舱中央走道移动,相对速度有lm/s2m/s。在移动中,离地高度不变。它似乎不辐射热,光强可能为5w10w,蓝白色。”

   是火球,就表明,飞机是在密集空间电荷中心区赶上它的。于是这火球以较小的相对速度穿过金属机头进入飞机,接触反应就没有上例激烈。飞机向着密集空间电荷密度低的边缘快速飞去的过程中,火球变成了发光球。

   因为密集空间电荷密度变低时,它具有的静电场力和球闪得到的电离能均减小,维持等离子体的电离和消电离动态平衡水平也就跟着下降,火球才变成了发光球。那么,飞行中球闪亮度随着密集空间电荷密度明显变化,就生动证明:

   密集空间电荷的静电场力所提供的电能就是维持球闪寿命的能源。

   止此,重要的球闪现象都解释了。基于球闪与密集空间电荷的密切关系,将球闪现象目击报告归纳一下。从树林、有铁质大火炉的民居、有大水面的旷野和天空中飞机,它们遇到球闪的规律无一例外:

   球闪奔向的那些目标都是:能有效吸收大量空间电荷的场所,正是那些场所吸收空间电荷速度快,密集空间电荷带着球闪加快了定向扩散速度。

   飞机,金属躯壳庞大、速度快,在广阔无垠的天空中掠过去,最能感知密集空间电荷区究竟有多么大;最能通畅地吸引密集空间电荷,故遭遇球闪的概率仍然不小;最能清楚体现球闪现象的一系列特征。飞机从不同方向招引球闪的现象各不相同:

   前面已有两例,第一例,飞机与球闪,二者有专属的奇特对撞。按理大球闪也陷进了密集空间电荷密度的低凹处直至悄悄消失都是如此。难怪机组人员:“不识球闪真面目,只缘身在此谷中”

   第二例,飞机追赶球闪的情况,殊不知,飞机早已浸没在密集空间电荷中了。直到飞过中心区顺向兜上火球,向着密集空间电荷区边缘飞去,也是只知火球不知其他。因为兜进飞机的电荷复合机会多,进入飞机的空间电荷密度总是要小于机外。所以球闪不仅在变暗,还陷在飞机中再也出不去了。终了应该是,球闪一直会暗到不再被注意,待到飞机差不多快穿出密集空间电荷区的时候,机舱内空间电荷已不再密集了,极暗的球闪自然就悄悄消散了。

   第三例,云中,一架加油机和球闪斜着相遇的情况。球闪斜着从左边穿进驾驶室到右边,再进前舱,移到后舱向右穿出,窜到右后机翼上,跳回云中。云中球闪更像是如鱼得水。

   第四例大概是正交相遇吧。一架波音727飞机,机舱内衬全是保温绝缘层,球闪进不到舱内,机翼末端出现一个发光球,十之八九它是先登上了对侧机翼,溜过机身,再窜到这边机翼末端来。大约持续5s后发出“呯”的一声而消失。这5s时间,该是这机翼末端处在密集空间电荷密度最小的时段内。之后,火球炸没了,指定是密集空间电荷突然变没了。  

 

  球闪机制的理论探讨

  滞留在空中的强闪电等离子体,除了密度大大降低了的等离子体还遗留于球闪中,其余极大量的正负离子都以密集空间电荷状态渐渐向四面八方扩散。

  密集空间电荷的扩散力正是推动球闪移动的动力。如图1所示

 

  在大气中,粒子的扩散系数为:

         

 D=\frac{\text{λv}}{3}      

式中 λ,v分别表示粒子的平均自由程和平均速度 

   电子与离子相比,体量和质量都小得很多,所以电子的λ和v都比离子的大很多,这两种粒子的扩散系数更是相去甚远了。电子快速扩散,远远跑在离子前面。怪不得剩下的大球闪会停止缩小,那是处在电子和正离子之间建起的电场拯救了它。此电场促使电子流逆着电荷扩散方向穿过球闪完成电离,维持着球闪内等离子电荷的动态平衡。况且球闪等离子体是良导体,这短路状态的电子流是相当大的。如图2所示

 

 

   显然,未被注意的密集空间电荷的重要性不亚于球闪,它的体量特别大测量捕捉到的可能性比球闪大得多。

 

   在此,特别要衷心感谢单焕炎和林世昌两位领导的鼎力支持,感谢邹子亚先生的得力帮助

   文中球闪目击资料均摘自虞昊编著的《现代防雷技术基础》 20052月 第二版。清华大学出版社

 

                                           20191129