早在 1596 年，就曾經(jīng)有一起出現(xiàn)在英格蘭薩默塞特郡的韋爾斯的一起球狀閃電事件的記錄【1】。 幾百年來(lái)，雖然有著眾多的球狀閃電目擊記錄，人們卻一直沒(méi)有揭開(kāi)這個(gè)幽靈的面紗。

在一篇1966年發(fā)表的文章中，提到了 Brand 收集處理的關(guān)于球狀閃電的報(bào)告，Brand 相信他所統(tǒng)計(jì)調(diào)查的 600項(xiàng)事件中，只有 215 項(xiàng)還算是可信。另外，文章還提到了對(duì)美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)比較初級(jí)的問(wèn)卷調(diào)查，1962個(gè)被調(diào)查的人中，有 110 個(gè)人說(shuō)自己看到過(guò)球狀閃電，比例高達(dá) 5.6%。雖然后來(lái)對(duì)所有的 Union Carbide Nuclear Company 的所有人員的調(diào)查中，只有 3.1% 的人說(shuō)見(jiàn)過(guò)球狀閃電，但是這依然可以說(shuō)明，球狀閃電的目擊者并不稀有。也就是說(shuō)，球狀閃電在某些時(shí)間段某些地區(qū)，算不上是一個(gè)非常罕見(jiàn)的現(xiàn)象。在一份對(duì)美國(guó)國(guó)家航空航天局路易斯研究中心的人員進(jìn)行的調(diào)查中【2】，作者得出了類(lèi)似的結(jié)論。通過(guò)對(duì)比球狀閃電觀(guān)測(cè)頻率與普通云地閃電碰觀(guān)測(cè)頻率的比較，發(fā)現(xiàn)球狀閃電并不是一種特別罕見(jiàn)的現(xiàn)象。與人們普遍接受的觀(guān)點(diǎn)相反，球狀閃電的發(fā)生概率幾乎與云地閃電一樣。

大家對(duì)球狀閃電的描述，從運(yùn)動(dòng)到形態(tài)，甚至消失的方式常常有很大的差異。Smirnov 在一篇論文中，根據(jù)當(dāng)時(shí)大家收集的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)了球狀閃電的一些特征?！?】

圖1

根據(jù)調(diào)查，亮度描述最多的是大約100w-200w的白熾燈（圖1）。

圖2

顏色也是多種多樣。以橘色、白色居多，也有少量的綠色和多色同時(shí)出現(xiàn)的報(bào)告（圖2）。

圖3

在調(diào)查中，超過(guò)一半的被目擊的球形閃電最終以爆炸的形式消失。一部分慢慢消失，少量的裂成碎片（圖3）。

圖4

球形閃電的直徑主要集中在10mm到50mm之間，少數(shù)大于100mm（圖4）。

閃電直徑的報(bào)告遵循對(duì)數(shù)正態(tài)分布。這種分布也代表了雷暴中在云地閃電電荷量的分布。這些分布的相似性，雖然不能得到某些肯定的結(jié)論，但表明這些數(shù)量可能是相關(guān)的。

圖5

維持時(shí)間大多小于50s，但也有少量大于200s（圖5）。

圖6

近90%的球形閃電出現(xiàn)在導(dǎo)體和閃電通道附近，這是恰好都是發(fā)生閃電時(shí)電阻較小的區(qū)域，但是大部分時(shí)候聲稱(chēng)見(jiàn)到球形閃電的人都沒(méi)有注意它從哪里產(chǎn)生（圖6）。

圖7

這是目擊時(shí)間的統(tǒng)計(jì)，但是值得注意的是時(shí)間收到人們的作息時(shí)間、生活習(xí)慣還有當(dāng)?shù)貧夂虻挠绊懀▓D7）。多數(shù)目擊發(fā)生在夏季，顯然雷電現(xiàn)象在溫帶地區(qū)也多發(fā)生在夏季。

觀(guān)察到球形閃電大多在上午和中午，這與人們的生活習(xí)慣有很大的關(guān)（圖8）。

但是非?？上У氖牵@篇比較有參考價(jià)值的文獻(xiàn)并沒(méi)有在報(bào)告中把球形閃電不同的特征，如亮度、色彩、大小、消失方式和維持時(shí)間聯(lián)系起來(lái)。

對(duì)球形閃電產(chǎn)生和消失過(guò)程的觀(guān)測(cè)報(bào)告基本可以分為兩類(lèi)，第一類(lèi)是在閃電擊中地面后產(chǎn)生球形閃電，最終在地面或?qū)w附近消失；另一類(lèi)是，球首先在半空中被發(fā)現(xiàn)，并保持在高空，在沒(méi)有明顯干擾的情況下消失。【3】

對(duì)于觀(guān)測(cè)的結(jié)果的調(diào)查，不但要包括大小，顏色等表觀(guān)的描述，由于觀(guān)測(cè)者本身的記憶和描述會(huì)有偏差，所以在一些調(diào)查中引入了用來(lái)降低這種偏差的問(wèn)題【4】。例如“如果有機(jī)會(huì)，觀(guān)察者是否會(huì)更傾向于觀(guān)察?”。由于球形閃電發(fā)生的時(shí)刻難以捕捉，目擊者的描述受到心理印象的影響，所以這些為減小人為偏差做出的努力也十分重要。

圖9

西北師范大學(xué)的研究人員在拍攝雷電時(shí)偶然捕捉到了一個(gè)球形閃電【5】，記錄下了球形閃電的形成，移動(dòng)和消失的過(guò)程，并對(duì)其進(jìn)行了光譜分析。為球形閃電的研究留下了珍貴的第一手資料（圖9）。他們的研究表明，被高速攝像機(jī)捕捉到的球形閃電的主要元素構(gòu)成與土壤基本相同。并通過(guò)不同階段的顏色確定了溫度變化的過(guò)程。

需要注意的是，表觀(guān)直徑不是球形閃電的實(shí)際直徑。視在直徑更準(zhǔn)確地稱(chēng)為亮度范圍。Stephan和Massey【6】的實(shí)驗(yàn)可以證實(shí)這一點(diǎn)。據(jù)報(bào)道，硅發(fā)光球的表觀(guān)直徑為1-4厘米，但它們只是由直徑約1毫米的液體核心照亮。

球形閃電的觀(guān)測(cè)可能表明土壤雷擊機(jī)制。此外，有趣的是，光強(qiáng)在穩(wěn)定階段顯示出持續(xù)振蕩。觀(guān)察到的頻率為99.4Hz，這很容易與50Hz的電力線(xiàn)頻率相關(guān)聯(lián)。在球形閃電位置附近有一組高壓（35kV）傳輸線(xiàn)，從最近傳輸線(xiàn)到該位置的水平距離約為20m 。這使我們可以推斷，在穩(wěn)定階段球形閃電的波動(dòng)可能是由與高壓傳輸線(xiàn)相關(guān)的二次諧波效應(yīng)引起的。

但是同樣有球形閃電在不存在土壤的地方產(chǎn)生【6】. 詹尼森【7】已經(jīng)描述了雷電放電后不久在商用飛機(jī)內(nèi)部近距離觀(guān)察到的球形閃電。當(dāng)它飄落在客艙的過(guò)道上時(shí)，這種球狀閃電表現(xiàn)出了完美的平衡狀態(tài)，完美的球形，直徑22±2厘米; 有藍(lán)白光中5-10W的光輻射，但沒(méi)有熱輻射; 和幾乎實(shí)心外觀(guān)的光學(xué)厚表面，沒(méi)有極性或環(huán)形結(jié)構(gòu).由于其在機(jī)艙中造成了一定的損傷， 顯然不是視錯(cuò)覺(jué)或電磁影響大腦產(chǎn)生的幻覺(jué)【8】。

這些觀(guān)測(cè)的結(jié)果或反對(duì)或支持了不止一種現(xiàn)有的模型，所以我們不能僅從這些觀(guān)測(cè)得出結(jié)論。為了更容易地觀(guān)測(cè)到自然界產(chǎn)生的球形閃電，美國(guó)正在使用人工引雷的方式進(jìn)行球形閃電的研究【9】，在這項(xiàng)研究中，他們觸發(fā)了8次閃電，有包括有機(jī)和無(wú)機(jī)材料共100種液體、固體和粉狀材料樣本被放在引雷裝置的終端接受測(cè)試。所有具有與球形閃電報(bào)告類(lèi)似的特性的事件都是由緩慢變化的，相對(duì)較低的幅度電流產(chǎn)生的。實(shí)驗(yàn)人員并不能確定已經(jīng)產(chǎn)生了球形閃電。在不銹鋼板上觀(guān)察到的發(fā)光現(xiàn)象與文獻(xiàn)中描述的球形閃電的描述極為相似，因?yàn)樗哂写_定的形狀。并且在試驗(yàn)后對(duì)研究人員的問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)的觀(guān)察者描述的持續(xù)時(shí)間明顯長(zhǎng)于實(shí)際時(shí)間，實(shí)際上它不到0.5秒，這表明可能很多相關(guān)的目擊者描述都有較大偏差。這個(gè)結(jié)果顯然重復(fù)了Stephen和Massey和Paiva等人的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。從電弧與金屬的作用中產(chǎn)生了小的燃燒金屬球，這種現(xiàn)象可能代表了某一類(lèi)天然球閃電的觀(guān)測(cè)。在實(shí)驗(yàn)中也通過(guò)在自來(lái)水和含有氯化鈣等鹽的水中產(chǎn)生了類(lèi)似火焰的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象與被觸發(fā)閃電擊中的樹(shù)木部分上方產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象可能代表另一類(lèi)自然界的球形閃電。

為了解釋這些觀(guān)測(cè)現(xiàn)象，物理學(xué)家提出了各種模型，但是至今沒(méi)有一種模型可以完整地解釋球形閃電從誕生到消失的整個(gè)過(guò)程。對(duì)球形閃電結(jié)構(gòu)的探索幾乎涉及了包括電動(dòng)力學(xué)、量子力學(xué)在內(nèi)的現(xiàn)有的大部分物理學(xué)分支。一些有價(jià)值的模型直到計(jì)算機(jī)興起、各種物理理論更加完善的最近幾十年才被提出。

比較早的理論大部分從化學(xué)燃燒的角度入手。Fischer認(rèn)為【10】球形閃電是閃電擊中有機(jī)物后產(chǎn)生的細(xì)小碳微粒在空氣中形成氣溶膠并燃燒產(chǎn)生的現(xiàn)象。在當(dāng)時(shí)無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，這種簡(jiǎn)單的燃燒想法是很多復(fù)雜結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。但這種缺乏細(xì)節(jié)和計(jì)算的描述這在今天看來(lái)似乎不成立。

一些在云地閃電與地面固體（土壤）相互作用的基礎(chǔ)上建立的模型和實(shí)驗(yàn)與西北師范大學(xué)對(duì)球形閃電影像的研究相印證，都提出了云地閃電和土壤相互作用產(chǎn)生球形閃電的觀(guān)點(diǎn)。其中較早在實(shí)驗(yàn)中被使用的元素是硅?！?1】他們提出球狀閃電是由于大氣中的硅納米顆粒氧化引起的。在雷擊產(chǎn)生的高溫下和電流下，土壤中的硅氧化物與碳?xì)浠衔铮磻?yīng)變成了蒸發(fā)的硅和碳。當(dāng)高溫的氣態(tài)硅在大氣中冷卻時(shí)，Si凝結(jié)成空氣中幾納米大小的Si粒子的氣溶膠。高溫和強(qiáng)電流環(huán)境中產(chǎn)生的電荷聚集在氣溶膠表面，并將其結(jié)合在一起形成穩(wěn)定的球形，由此產(chǎn)生的小球開(kāi)始隨大氣中硅氧化的熱量而發(fā)光。之后Abrahamson等人又將這種理論擴(kuò)充【12】到土壤的其他組分和木材，金屬 等材料，這樣就可以解釋在飛機(jī)機(jī)艙中產(chǎn)生的球形閃電。科學(xué)界圍繞這些“燃燒”理論進(jìn)行了頗多的研究。如Barry測(cè)試了燃燒機(jī)理，并通過(guò)在含有少量碳?xì)浠衔铩?3】的大氣中觸發(fā)放電來(lái)觀(guān)察火球。Silberg【14】和Golka, Jr.【15】通過(guò)金屬電極轉(zhuǎn)換高壓電流獲得發(fā)光小球。Gerson在實(shí)驗(yàn)中【16】，頂部電極在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前輕輕接觸Si片，打開(kāi)電路后頂部電極上升大約1至2毫米的距離。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中形成了一個(gè)電弧。硅片被電弧擊碎產(chǎn)生發(fā)光的碎片燃燒形成球形的火焰，像球形閃電一樣的發(fā)光球向四面八方飛去。這個(gè)實(shí)驗(yàn)比較受關(guān)注的原因是它不依賴(lài)于自然現(xiàn)象中不可能出現(xiàn)的能源和激發(fā)機(jī)制；它清楚地證明了硅的蒸發(fā)和氧化所起的作用，如Abrahamson-Dinniss理論提出的球狀閃電形成機(jī)制；產(chǎn)生具有長(zhǎng)壽命(最長(zhǎng)8秒)的發(fā)光球，并在自然現(xiàn)象中觀(guān)察到幾個(gè)性質(zhì)(至少有10個(gè)性質(zhì))相同。

大部分備受關(guān)注的模型都有其相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，但是有些實(shí)驗(yàn)需要研究人員引入一些自然界不可能存在的能量源和激發(fā)機(jī)制。Lodge【17】認(rèn)為球狀閃電可能被來(lái)自閃電的電磁波駐波激發(fā)。Kapitza【18】認(rèn)為球狀閃電可以通過(guò)微波體制下電磁波駐波的角上的空氣電離形成。Dawson和Jones【19】提出球狀閃電可能是一個(gè)包裹在球狀等離子體殼內(nèi)的微波氣泡，雷電中產(chǎn)生的的微波持續(xù)電離空氣，從而維持穩(wěn)定的等離子體外殼。對(duì)于涉及微波的球形閃電理論存在一些爭(zhēng)議，有科學(xué)家認(rèn)為【16】自然界的云地閃電無(wú)法提供如此強(qiáng)烈的微波。在Wu H C.的研究中【20】，引入了一個(gè)對(duì)電子束的假設(shè)。這個(gè)假設(shè)被叫做球狀閃電事件中孤立的相對(duì)論性電子束的假設(shè)，它基于在云對(duì)地閃電中發(fā)現(xiàn)的高能現(xiàn)象。閃電閃開(kāi)始于一個(gè)負(fù)極先導(dǎo)并在一個(gè)步進(jìn)過(guò)程中向下傳播，每一步持續(xù)數(shù)十米。這一階導(dǎo)子的電暈寬度為1-10米。Moore et al.首先檢測(cè)到大于1mev的輻射來(lái)自于一個(gè)階梯型先導(dǎo)。然后觀(guān)察到，每一步都會(huì)發(fā)出x射線(xiàn)脈沖，當(dāng)接近地面時(shí)，x射線(xiàn)脈沖會(huì)增強(qiáng)。最近的數(shù)據(jù)顯示，距離地面最近的最后一步爆發(fā)產(chǎn)生最強(qiáng)的x射線(xiàn)。被階導(dǎo)子加速的電子解釋了這些被檢測(cè)到的x射線(xiàn)的產(chǎn)生，所以電子加速度是最后一步是最劇烈的。因此研究人員預(yù)期，在最后一步將會(huì)形成一個(gè)特殊的相對(duì)論電子束，激發(fā)強(qiáng)烈的微波輻射。后者電離了空氣，輻射壓力將產(chǎn)生的等離子體抽離，形成一個(gè)球形的等離子氣泡，穩(wěn)定地發(fā)光。該機(jī)制通過(guò)粒子模擬得到驗(yàn)證，并解釋了球閃電的許多已知性質(zhì)，如發(fā)生地點(diǎn)、與閃電通道的關(guān)系、飛機(jī)的外觀(guān)、形狀、大小、聲音、火花、光譜、運(yùn)動(dòng)以及由此產(chǎn)生的傷害和損害。不過(guò)現(xiàn)有的物理實(shí)驗(yàn)室還沒(méi)有能力創(chuàng)造這樣的極端條件，所以也就無(wú)法驗(yàn)證。

隨著研究的深入和一些新興的交叉學(xué)科的興起，科學(xué)家試圖從新的角度研究這個(gè)問(wèn)題。將分形和混沌引入球形閃電的理論研究中。Sanduloviciu通過(guò)對(duì)自洽擴(kuò)展宏觀(guān)空間電荷構(gòu)型的形成和穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)室研究，提出了一種新的自組織物理框架，闡述了球狀閃電的起源和特征【21】。在可控的實(shí)驗(yàn)室條件下，研究人員通過(guò)逐步模擬物理過(guò)程的實(shí)驗(yàn)來(lái)證明所提出的解釋是正確的，這些物理過(guò)程的最終產(chǎn)物是一個(gè)氣體穩(wěn)定燃燒的球體，這種燃燒的球體與球狀閃電有很多相同的特性。盡管涉及的能量遠(yuǎn)低于雷雨時(shí)地球大氣中產(chǎn)生的能量，但所描述的實(shí)驗(yàn)?zāi)M證據(jù)表明，自組織理論很好地解釋了球形閃電的一些特點(diǎn)。在這之后，M Agop等人在分形時(shí)空理論的框架下，給出了球閃電發(fā)生的數(shù)學(xué)模型。這個(gè)模型表明激光燒蝕產(chǎn)生的等離子體與云地閃電和地面物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的球形閃電十分相似【22】。這些數(shù)學(xué)物理手段無(wú)疑為我們研究球形閃電打開(kāi)了新的大門(mén)。

也有觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為看到球形閃電是由于光幻視【23】，光幻視是由低頻磁場(chǎng)與視網(wǎng)膜或視覺(jué)皮層相互作用產(chǎn)生的，因?yàn)闀r(shí)變磁場(chǎng)產(chǎn)生電流，從而破壞正常的電活動(dòng)。研究人員發(fā)現(xiàn)經(jīng)顱磁刺激【24】可以產(chǎn)生光幻視，以此為依據(jù)，研究人員分析了雷雨和閃電附近高能輻射環(huán)境對(duì)人類(lèi)產(chǎn)生光幻視誘導(dǎo)的可能性。根據(jù)輻射對(duì)大腦和視力的影響，以及對(duì)常見(jiàn)的球形閃電的運(yùn)動(dòng)方式和已知的光幻視產(chǎn)生的光斑的運(yùn)動(dòng)方式的對(duì)比，光幻視的觀(guān)點(diǎn)只能解釋一小部分球形閃電的觀(guān)測(cè)告。

早在兩個(gè)世紀(jì)前，球形閃電之一現(xiàn)象就被科學(xué)界確定。然而直到現(xiàn)在物理學(xué)家也沒(méi)有給出完美的解釋。也許這個(gè)完美的解釋是不存在的，理論模型總是試圖解釋所有的現(xiàn)象，但是在不同而多變的的自然環(huán)境中也許并不存在統(tǒng)一的模型。不同的雷電強(qiáng)度，土壤和空氣條件以及其他如溫度等的細(xì)微變化，都可能使得這個(gè)極端條件下產(chǎn)生的發(fā)光球體有很多的不同。比如土壤組分的不同，可能使球形閃電表現(xiàn)出不同的顏色；含水量的不同可能使球形閃電有完全不同的結(jié)構(gòu)，也就有不同的移動(dòng)方式和消失方式；雷電強(qiáng)度的不同可能使其有不同的大小，也會(huì)帶來(lái)不同的電磁環(huán)境，也給不同的結(jié)構(gòu)帶來(lái)了可能性。然而，球形閃電難以制造，難以捕捉，觀(guān)測(cè)報(bào)告也難以保證足夠的真實(shí)性。這些問(wèn)題一直是驗(yàn)證模型的巨大障礙。但是新的計(jì)算方法，更精巧的實(shí)驗(yàn)和更多的有效觀(guān)測(cè)一定可以讓我們最終揭開(kāi)球形閃電的真實(shí)面貌。

參考文獻(xiàn)：

[1] J. R. McNally. (1966). Preliminary Report on Ball Lightning. Proceedings of the Second Annual Meeting of the Division of Plasma Physics of the American Physical Society, Gatlinburg, No. 2AD5 [1960], Paper J-15, pp. 1AD25

[2] Rayle W D. Ball lightning characteristics [R]. Washington, DC: NASA Tech. Note, NASA-TN-D-3188, National Aeronautics and Space Administration, 1966.

[3] Stekol'nikov, I. S.:Study of Lightning and Lightning Protection.Trans. No. JPRS-29,407 (TI'-65-30639), Joint Pub. Res. Service, 1965.

[4] FIRST SURVEY，The responses of 1764 observers are tabulated in table I.The question concerning attitude revealed that 930 preferred to watch

[5] Jianyong Cen, Ping Yua,n, Simin Xue. O se!"ation of the optical and spectral characteristics of ball lightning [J]. Phys. Rev. Lett., 2014, 112: 035001.

[6] DIJKHUIS, GC.MODEL FOR BOLL LIGHTING .NATURE[P]150-151.1980

[7] Jennison, R. C. Nature 224, 895 (1969)

[8] Argyle, E. Nature 230, 170–180 (1971)

[9] Hill J D, Uman M A, Stapleton M, et al. Attempts to create ball lightning with triggered lightning[J]. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2010, 72(13):913-925

[10] Fischer，E.Naturwissenschaften（1981）68：568. SpringerVerlag.ISSN0028-1042

[11] J. Abrahamson and J. Dinniss, Nature (London) 403, 519 (2000).

[12] Vernon Cooray, Gerald Cooray, Joseph Dwyer. On the possibility of phosphenes being generated by the energetic radiation from lightning flashes and thunderstorms

[13] J.D. Barry, J. Atmos. Terr. Phys. 30, 313 (1968).

[14] P.A. Silberg, J. Geophys. Res. 67, 4941 (1962).

[15] R.K. Golka, Jr., J. Geophys. Res. 99, 10679 (1994).

[16] Paiva G S, Pav?o A C, Alpes d V E, et al. Production of ball-lightning-like luminous balls by electrical discharges in silicon.[J]. Phys.rev.lett, 2007, 98(4):048501.

[17] Lodge, O. J. Lightning conductors and lightning guards (Whittaker and Co. and Bell and Sons, London, 1892).

[18] Kapitza, P. L. On the nature of ball lightning. Doklady Acad. 101, 245–248 (1955).

[19] Dawson, G. A. & Jones, R. C. Ball lightning as a radiation bubble. Pure Appl. Geophys. 75, 247–262 (1969).

[20] Wu H C. Relativistic-microwave theory of ball lightning[J]. Scientific Reports, 2016, 6:28263.

[21] Sanduloviciu M, Lozneanu E. Ball lightning as a self-organization phenomenon[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2000, 105(D4):4719-4727.

[22] Agop M, Nica P, Gurlui S, et al. Fractal space-time and ball lightening as a self-organizing process in laser produced plasma[J]. Journal of Optoelectronics & Advanced Materials, 2008, 10(6):1526-1529.

[23] Physics Letters A, Volume 375, Issue 42, 2011, pp. 3704-3709

[24] V. Walsh, A. Cowey, Neuroscience 1 (2000) 73.