问题

现实中的球状闪电是怎样的?

回答
好的,我们来聊聊现实中的球状闪电。这是一个非常迷人但又极其难以捉摸的自然现象。尽管在很多人的印象中球状闪电是科幻或传说中的事物,但事实上,它是一种真实存在的、虽然极为罕见的闪电现象。

要详细描述现实中的球状闪电,我们需要从多个方面来入手:

一、它的出现频率与观测情况:

罕见但真实: 球状闪电非常罕见。相比于我们熟悉的“线状闪电”(sheet lightning or cloudtoground lightning),球状闪电的出现频率要低得多。这导致了许多科学家对其存在性质有过怀疑,直到有了更确凿的证据(虽然证据形式复杂)。
报告来源: 大部分关于球状闪电的报告都来自普通民众在雷暴天气期间的目击。这些目击报告通常描述了相似的特征,但由于其短暂性和难以预测性,科学家很难在实验室或野外主动观测到并进行详细研究。
科学研究的挑战: 正是因为它的罕见性和难以控制,对球状闪电进行科学研究变得极其困难。缺乏可靠的、可重复的观测数据是其研究进展缓慢的主要原因。

二、它的外观特征:

球状或椭球状: 如其名,它最显著的特征是呈现出球形或略微椭圆形的形态。
大小: 报告的大小差异很大,可以小到几厘米(直径)到几米(直径)不等。最常见的尺寸似乎在网球到排球之间(直径约530厘米)。
颜色: 颜色也多种多样,常见的有红色、橙色、黄色、白色,有时也会报告绿色、蓝色甚至紫色。颜色可能与能量密度、周围环境的物质成分有关。
亮度: 亮度也各不相同,有些明亮到可以照亮周围环境,有些则相对黯淡。它们不像线状闪电那样瞬间爆发,而是以一种相对稳定的亮度持续一段时间。
无声或伴有声音: 有些目击者报告球状闪电是完全无声的,而另一些则伴随着轻微的嘶嘶声、嗡嗡声甚至类似电流的噼啪声。但它通常不像线状闪电那样伴随巨大的雷声。

三、它的行为特征:

出现方式: 球状闪电通常在正常的线状闪电(尤其是云对地闪电)之后出现,或者在雷暴天气中独立出现。报告称它可以从高处(如屋顶、树顶)落下,或者从地面的物体上产生。
运动方式: 这是最奇特的部分。球状闪电并非只是简单地漂浮。它可以:
缓慢漂浮: 在空中以相对稳定的速度和高度漂移。
沿着表面移动: 沿着地面、墙壁或物体表面滑动,有时甚至可以沿着电线移动。
改变方向: 似乎可以主动改变其移动方向,有时会绕过障碍物。
穿过物体: 有报告称球状闪电可以穿过窗户(玻璃是绝缘体)、墙壁(尤其是裂缝或孔洞)或屋顶,进入室内或建筑物内部。
与物体互动: 有时会附着在物体表面,或者在接触物体时产生反应。
持续时间: 这是另一个关键特征。球状闪电的生命周期不像线状闪电那样短暂,可以持续几秒钟到几十秒钟,甚至有报告称超过一分钟。
消散方式: 它的消散方式也非常多样:
爆炸: 最常见的消散方式是突然爆炸,释放出热量、光和声音。爆炸的威力也不等,有时是轻微的爆裂,有时则可能产生破坏力。
“噗”一声消失: 有时会毫无预兆地“噗”一声消失,不留下任何痕迹。
分解: 有些报告描述它分解成更小的光点后消失。
吸入或衰减: 有些理论认为它可能被吸入某个物体或逐渐能量耗尽而衰减。

四、它可能存在的科学解释和理论:

尽管还没有一个被普遍接受的、能够完全解释所有观测到的球状闪电现象的理论,但有几种主流的科学假说正在被探索:

1. 硅气溶胶理论(Silicon Aerosol Theory): 这是目前比较有影响力的理论之一。该理论认为,线状闪电击中土壤时,会 vaporize(气化)土壤中的硅元素。这些高温的硅蒸气与空气中的氧气反应,形成纳米级的二氧化硅颗粒(硅气溶胶)。这些颗粒会形成一个相互连接的网络,内部包裹着少量等离子体。这个网络可以维持球形,并具有一定的弹性,从而解释了它长时间存在和漂浮的特性。当网络破裂或能量耗尽时,它会以爆炸或消失的方式结束。这个理论能够解释一些关键的观测特征,比如它可以在房间里出现,并且可能穿过门窗。一些实验也在尝试模拟这一过程。

2. 等离子体团理论(Plasma Ball Theory): 认为球状闪电是由高密度的等离子体(电离气体)组成的一个稳定球体。这个球体可以被其自身的电磁场束缚住,并保持一段时间。但如何解释它的稳定性和运动方式,以及为何能穿透物体,还需要进一步的解释。

3. 微波陷阱理论(Microwave Cavity Theory): 一些理论认为,球状闪电可能是一个被束缚在特定空间(如腔体)内的微波场,它可能与周围的物质相互作用,产生发光效果。

4. 光化学反应理论: 还有一些理论提出,球状闪电可能是由空气中的某些气体(如臭氧、氮氧化物)在闪电能量的激发下发生复杂的化学反应而形成的。

五、它与线状闪电的联系与区别:

联系: 球状闪电通常与雷暴天气下的线状闪电有关。许多报告表明它们紧随线状闪电之后出现,或者与线状闪电发生在同一区域。
区别:
形状: 線狀閃電是線性的,而球狀閃電是球狀的。
持續時間: 球狀閃電比線狀閃電持續時間長得多。
運動: 球狀閃電的運動方式更加靈活多變,可以漂浮、滑行、改變方向,甚至穿透物體,而線狀閃電的運動軌跡基本是由電場決定的,一旦形成就迅速消失。
聲音: 球狀閃電通常伴隨較小的聲音,而線狀閃電伴隨巨大的雷聲。
能量: 雖然沒有直接測量,但估計球狀閃電的總能量可能比線狀閃電低,但其能量密度在局部可能很高。

总结来说:

现实中的球状闪电是一种非常特殊且难以捉摸的闪电现象。它的外观多变,颜色、大小、亮度各不相同;它的行为更是奇特,可以漂浮、滑行,甚至穿透物体。尽管其具体成因尚未完全揭示,但科学家们正在通过各种理论和实验来尝试理解它。最关键的是,它不是传说,而是确确实实存在于我们自然界中的一种令人敬畏的现象。由于其罕见性和研究难度,每一次目击报告都为科学家们提供了宝贵的线索。

希望这些详细的描述能够帮助您更好地理解现实中的球状闪电。

网友意见

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搬运几个疑似球状闪电的视频。

视频1:俄罗斯人拍摄的,原标题:“雷雨和火球”。

youtube.com/watch?

俄罗斯人拍摄的球状闪电视频 https://www.zhihu.com/video/1065778269646966784

这个视频中的火球快熄灭的时候似乎长出了向上的尾巴,还会冒烟,和化学燃烧类似:

这种火球可能是落地普通闪电的能量将二氧化硅等变成了氮化硅等的高温气凝胶,然后慢慢在空气中燃烧所致。这个视频里的火球主要呈砖红色,可能是以钙离子为主的焰色反应造成的。

假设一团含氮化硅的气凝胶的直径为30 cm,气凝胶中氮化硅的密度是标准状况空气的30%,则其中约含有5.5 g,即0.039 mol的氮化硅。它在空气中可通过如下反应燃烧产热[1-2]:

这样共可燃烧产热76.2 kJ。由于气凝胶是极好的隔热介质,含有碱土金属的高温玻璃的发光效率也较高,根据视频中的大致亮度,假设其功率只有200 W,则其最长可以燃烧6分20秒。或者,按照标准状况下空气的定压比热估算,76.2 kJ可以让30 cm直径的空气球温度升高4131℃。氮化硅燃烧产生的能量对解释球状闪电现象而言是足够的。由于上述燃烧反应的产物之一为阻燃气体,因此反应速率受限,与分散在气凝胶中的硅单质相比更容易缓慢燃烧而不爆炸。另外,或许特定的泡沫结构气凝胶在高温下可以保持其体积而不塌缩。

那种像一团脏东西一样的黑色闪电,可能是失败的球状闪电。黑色闪电的温度降低到了常温,内部却还有大量的氮化硅,易燃物和空气的接触面积很大,因而极易爆炸或自燃而转变为球状闪电。如果是这样的话,那些雷雨天在空中“凭空产生”的球状闪电就可以得到解释了。

上述假说为本回答原创,转载请注明出处。

下面这个视频中的火球在偏红的颜色和白色间转换:

视频2youtube.com/watch?

https://www.zhihu.com/video/1066838956473294848

接下来这两个视频中的火球是蓝绿色的。

视频3youtube.com/watch?

Incredible Video of Glowing Blue Ionized Energy Arcing Across a Power Line During a Storm

by Chip Beale on June 5, 2017 https://www.zhihu.com/video/1066815268176769024

视频4,2017年2月18日在美国洛杉矶的一所高中校园里拍摄到的发光体(视频见链接):

bilibili.com/video/av87

学校操场上惊现巨大神秘飞行物,还自带灯光效果_腾讯视频

(这个回答先提到过这个视频: 现实中的球状闪电是怎样的? )

此视频中的发光体发出的声音和视频3中的差不多,都是一种和工作中的电力变压器发出的嗡嗡声类似的声音。而视频1中的火球则是安安静静地飘,亮度似乎低得多,火球存在的时间也久得多,即使不考虑颜色的差异,也让人感觉两者似乎不是一类东西。

最后这个视频展示了球状闪电的光谱:

视频5,球状闪电的光谱(视频见链接):

落地闪电和球状闪电(在左下方)及其光谱

现实中的球状闪电就是这个样子的,砖红色、橙红色、蓝绿色、白色等颜色,接近球形,漂浮在空中,有的(距离高压线近的话?)还会发出嗡嗡的声音。是不是和小说中的有些不同?

参考资料(标准摩尔生成焓数据):
[1] Thermodynamics of Silicon Nitride. Standard molar enthalpy of formation of amorphous Si3N4 at 298.15 K
[2] web.pdx.edu/~davide/App

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我小时候在我家院子里看到过球状闪电。像一轮满月。伴随这电闪雷鸣。悬浮在屋顶上,持续了很长时间。

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