201008240415球狀閃電 (圖+影)


球狀閃電圖

球狀閃電圖

球狀閃電

俄羅斯科學家最近在實驗室中成功製造出了球狀閃電,這將有助於人們對球狀閃電進行直接研究。

球狀閃電,一種由等離子體構成的閃電,在雷雨天氣裡往往帶來很大的破壞力,造成人員和財物巨大損失。這種閃電存在時間很短,較難追蹤,此前,球狀閃電對人們來說仍然是個謎。

據俄《科學信息》雜志報道,俄羅斯科學院聖彼得堡康斯坦丁核物理研究所專家在研究中發現,球狀閃電由呈陽性的氫離子和呈陰性的氫氧基離子構成,球狀閃電中的這些離子被水汽包裹著,水分子能夠阻止兩種離子結合到一起,從而使得球狀閃電能夠存在一些時間。根據這種特點,他們在實驗室中制造出了球狀閃電。

實驗所用裝置由一個連在一起的電容器組和兩個電極組成,其中一個電極是銅線圈,放置在聚乙烯容器的底部,並在容器中盛放了自來水;另一個由碳棒組成的中心電極放在容器水面以上的地方。當中心電極的碳棒被滴上水滴時,兩個電極之間會有電流通過,其持續時間非常短暫。在電路的短暫接通和關閉過程中,中心電極會釋放出等離子束,並且分離出發光的等離子粒團,大小從10厘米到18厘米不等,溫度不超過60攝氏度,一般在0.2秒到0.5秒後消失。

進一步研究發現,如果兩個電極之間的距離合適,等離子粒團會呈現圓球狀,成為球狀閃電。此外,中心電極所使用的材料不同,這種人工球狀閃電也會呈現出不同的顏色,比如使用碳做中心電極,閃電中心會呈現淡紫色,外面呈淡黃色;用鐵做中心電極,閃電呈淡白色。專家還發現,等離子粒團的存在時間受中心電極尺寸大小和幾何形狀、兩個電極之間的距離、電流強度和持續時間、水的溫度和導電性等多種因素的影響。

專家指出,雖然實驗室條件下制造出來的球狀閃電的尺寸沒有自然條件下形成的球狀閃電大,但是科學家通過這種方法可以對球狀閃電進行直接研究。

 

球狀閃電之謎已解? 巴西研究人員公佈實驗成果

自從科學家富蘭克林(Benjamin Franklin)於1752首次放飛他的風箏時,球狀閃電(ball lightning)對電學研究者來說就是個難解的謎。就在1753年,俄國科學家Georg Richmann在放飛風箏時被球狀閃電所擊斃,他的放的風箏是以富蘭克林的實驗風箏為藍本。

自那時起,有大把的假說試圖解釋球狀閃電,從Nikola Tesla在1904年提出頗具創見的論文──「無線電能傳輸(The Transmission of Electrical Energy Without Wires)」,到最近由紐西蘭Canterbury大學的兩位教授John Abrahamson和James Dinniss所提供的解釋都指出,球狀閃電就是汽化矽(vaporized silicon)。而巴西Pernambuco聯合大學的研究人員Antnio Pavo和Gerson Paiva甚至聲稱,他們已在實驗室中驗證了上述的汽化矽假設。

「我幾年前就預計Canterbury大學的假設可能會開始在實驗室進行驗證,而想不到現在這些來自巴西的研究人員卻聲稱他們已經完成實驗。」美國華盛頓海軍研究實驗室(U.S. Naval Research Laboratory)的物理學家Graham Hubler表示:「呃,這看起來很像是小朋友在他們的科學實驗課上製造球狀閃電。」

原理是這樣:沙子或二氧化矽(silicon dioxide、silica)在有碳(carbon)元素存在的情況下,能透過閃電的衝擊被汽化,產生一種被稱為球狀閃電的短暫性、發白光的游離物體。這一原理主張,當與空氣中的氧氣再結合時所產生的熱量,使得汽化矽發光。而根據這一假定,閃電會變成球狀,是因為冷凝的矽在其外部的表面,被閃電的電荷所包覆。

為測試這一假說,Pavo和Paiva將一塊矽基板用具有140A電流通過的高壓弧形物包住。在他們把電極分開時,這個弧形物就把350微米厚的底板汽化了,產生了一個高爾夫球大小的發光球體。

「必須讓碳元素在土壤中存在以驗證這一原理是否奏效,因為二氧化矽中的氧親矽。因此當閃電使矽土汽化時,它的氧與碳結合,在形成閃電球體的熱蒸汽中形成純矽,」Hubler表示:「而巴西的研究人員一開始就用純矽做實驗,簡化整個實驗的過程。」

Pavo和Paiva表示,他們實驗的球狀閃電持續了8秒鐘之久,並且釋放噴射羽狀煙霧和拖曳痕跡──這兩種現象均在球狀閃電的軼事中有所描述。球體的煙霧尾巴是呈螺旋狀消失,顯示閃電的球體在旋轉。顏色從藍色到橘白色變化;預計溫度約為2,000絕對溫度(Kelvin,約 華氏3140度)。

研究人員的下一個計畫是:查明像金屬合金或硫磺化合物這樣的其它土壤元素,是否也能在被閃電衝擊時被汽化成球形。

球狀閃電可能只是幻覺


■ 球狀閃電之謎至今仍無確切解答,它據說出現於雷雨之時,能以高溫傷害人畜,甚至還會滾進屋子裡。不過奧地利科學家最近提出這一切恐怕只是人類離雷電太近而產生的幻覺。

編譯 ∣ 周炳辰

  人們對於神秘的球狀閃電所知有限。近來有兩位物理學家相信閃電的磁場可以影響腦部,產生球狀閃電的幻覺。「我們還不確定這是否就是答案。」奧地利因斯布魯克大學(University of Innsbruck)等離子體物理學家肯德(Alexander Kendl)表示:「但這是個可能性。」相關研究已在Physics Letters A上發表。

  閃電的形成是風暴雲中電荷分離,電勢累積,最終突然釋放所致,常常成群而來。有時候來得很快,數秒之內就有二十至六十次閃電電擊,每次僅長達一百毫秒。肯德的研究團隊認為這些罕見、特別快速的閃電電擊──無論是電流的強度或隨著時間的上升和衰減,特性都和穿顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation)相似。

  穿顱磁刺激是用來治療中風、抑鬱性障礙等神經或精神症狀的方法。對腦部施加磁場時,由於視覺皮層受到刺激,有些人會在視野範圍內看到發光的球體,這種經驗被稱為光幻視(phosphene)。肯德和因斯布魯克大學研究生皮爾(Josef Peer)計算出高速重複的閃電電擊可以「非常有效地」誘發光幻視,不過先決條件是必須站在閃電 200 公尺範圍內。

  然而,德國烏爾姆大學(University of Ulm)穿顱磁刺激專家卡莫(Thomas Kammer)不能同意這種看法。許多接受穿顱磁刺激的病人都經歷過光幻視,但絕大部分都不是球狀閃電的模樣。卡莫在電子郵件裡寫道:「我很難想像光幻視會造成球狀閃電這種長期持久的視覺現象。」

  其實在肯德之前就有其他科學家相信球狀閃電是一種幻視,但肯德的研究是第一次有人鉅細靡遺地計算球狀閃電和幻視的關係。二○○八年瑞典的研究人員就曾經提到:閃電的磁場可能影響枕葉(occipital lobe),導致癲癇發作和幻視。瑞典烏普薩拉大學(Uppsala University)電力學專家庫雷(Vernon Cooray)指出:「已經有愈來愈多的證據顯示絕大部分──甚至全部的球狀閃電,都是閃電的磁場影響人類腦部所造成。」

  數百年來科學家試著解釋球狀閃電,但都不太成功,因為關於球狀閃電的描述差異甚巨。有許多描述是在眼睛高度飄浮的黃色球狀光體,飛舞幾秒後消失。有些描述不同顏色的球狀光體快速移動,發出滋滋聲,甚至爆炸。還有人提到刺鼻的氣味或尖銳的聲音。肯德認為:這許多非常不同的描述,正是因為球狀閃電是許多不同經驗的泛用形容詞。

延伸閱讀:Transcranial stimulability of phosphenes by long lightning electromagnetic pulses(論文原文)

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