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球状闪电

球状闪电

球状闪电（英文名：Ball lightning）别名滚地雷，是一种真实的物理现象，为圆球形的闪电球，通常在强雷雨的恶劣天气里发生，它一般发生在线状闪电之后，球状闪电的平均直径为25厘米，大多数在10～100厘米之间，小的只有0.5厘米，最大的直径达数米，常见的颜色为橙红色或红色，还有黄色、紫色、蓝色、亮白色、幽绿色的光环，呈多种多样的色彩，一般寿命只有1～5秒，最长的可达数分钟。除此外，球状闪电可以在空气中独立而缓慢地移动，一般速度约为每秒5米，大部分为直线运动，或是在一个位置旋转或按明显的复杂路径来运动，在运动过程中，其光度、形状及大小都保持不变。

科学家推测球状闪电是一种气体漩涡，产生于闪电通路的急转弯处，是一团带有高电荷的气体混合物，主要由氧、氮、氢以及少量的组成最早记录的球状闪电目击事件发生在1638年，当时一个“大火球”从英国教堂的窗户射出。这和其他早期的说法表明，球状闪电可能是致命的，相关案例之一涉及18世纪的电力研究员乔治·里奇曼（Georg Richmann），他不幸被球状闪电杀死。来自中国兰州的研究人员在使用摄像机和光谱仪研究2012年的雷暴时无意中记录了一次球状闪电事件。球在雷击后出现，水平行进约10米（33英尺）。光谱仪在球中检测到硅、铁和钙，所有这些都存在于当地土壤中。2006年，的研究人员使用微波束创造了实验室版本的球状闪电。2018年，量子物理学家展示了一种合成的打结磁场，可以镜像并可能有助于解释球状闪电。

球状闪电经常被错误地识别为圣埃尔莫的火，但实际上这是两种不同的现象，圣艾尔摩之火其实是一种冷光（或称为电激发光）冠状放电现象。几个世纪以来，科学家们提出了许多假设来解释有关球状闪电的报告，但有关球状闪电的科学数据仍然很少。推测球状闪电存在的依据是公众目击报告，但这些报告得出的结论并不一致，并且由于缺乏数据，使得球状闪电作为一种独特的物理现象存在。

形成

1955年，物理学家便提出球状闪电是雷暴中产生的电磁干扰效应引起的。球状闪电通常发生在枝状闪电之后，科学家推测两者可能存在关联。按照闪电形状分类可分为：线状闪电、枝状闪电和球状闪电三种，球状闪电是一种十分罕见的闪电形状, 多半在强雷雨的恶劣天气里才会出现并且很难被观测到。关于球状闪电的形成原因，当前较为被各方所接受的解释有二，一种理论认为当土壤受到闪电袭击，会向大气中释放含有硅的纳米微粒，在这些纳米微粒中以化学能的形式储藏着来自的能量，当达到一定高温时，这些微粒就会氧化并释放能量。另一个理论认为，球状闪电是被闪电电离的气体与水蒸气结合成高温的等离子球体，外边包裹着冷的等离子外壳。然而这两种理论无法解释所有的球状闪电现象。

观测历史

早期的观测与发现

11世纪，中国著名科学家在《》中也记述了一次球形闪电的实况。球形闪电自天空进入“堂之西室”后，又从窗间檐下而出，雷鸣电闪过后，房屋安然无恙，只是墙壁窗纸被熏黑了。令人惊奇的是，屋内木质的易燃漆器都没有被烧毁，镶嵌在漆器上的银饰却反而被熔化，成为当时的一件奇闻。

12世纪的本笃会僧侣格尔瓦斯（Gervase），他来自的基督教大教堂修道院，，记录道："一则奇迹的迹象于1195年6月7日降临在伦敦附近"。他继续描述了一朵浓密而黑暗的云彩，散发出一种白色物质，这种物质在云彩下形成了一个球形，从中掉落下一颗炽热的火球，直朝着河流坠落。的退休物理学教授布莱恩·坦纳（Brian Tanner）和教授吉尔斯·加斯珀（Giles Gasper）通过比较格尔瓦斯的中世纪编年史与有关球闪电的历史和现代报告，判定一事件可能与球闪电事件相联系。

1638年10月21日，一份报道记载了英格兰德文郡Widecombe-in-the-Moor的一座教堂的一场大雷暴中发生的事件，这是最早记录的球状闪电目击事件。在这次严重的风暴中，有四人丧生，约有60人受伤，目击者描述一颗高8英尺（2.4米）的火球撞击并进入教堂，教堂墙壁上的大石块被抛到地面上，穿过了大木横梁。据称，火球击碎了长椅和许多窗户，使教堂充满了恶臭的硫磺气味和浓烈的黑烟。据说火球分成两段，一段通过打碎窗户而离开，另一段则消失在教堂内的某处。

1749年11月4日，Montague舰上的海军上将查姆伯斯正在中午前进行观察，他观察到了一个距离他们大约3英里（5公里）远的大球状蓝色火焰。他们立即放下了上桅帆，但火球迅速靠近他们，在距离主索链只有大约40到50码（35到45米）时，这颗火球爆炸了，爆炸声音如同一百门火炮同时开火，留下浓烈的硫磺气味。在这次爆炸中，主桅横梁被粉碎成碎片，主桅从龙骨一直倒塌到底部。有五名船员被击倒，其中一名严重受伤。就在爆炸前，火球似乎是一个巨大的磨盘大小。

1753年的一份报告中记录了俄罗斯圣彼得堡的乔治·里奇曼（Georg Richmann）教授在参加科学院的会议中听到了，于是和他的助手跑回家，为后人捕捉这一事件。在实验进行时，一个球状的发光物击中了里奇曼的头顶，从他身体中穿过，他的衣服被撕碎，鞋子被炸飞，实验装置一片狼藉，里奇曼当场殒命，他的助手也被炸晕，但保住了性命。闻讯赶来的人们发现，实验室的门已经掉了下来，如同一个炮弹袭击后的场景。里奇曼遗体的脚底有一个明显的焦痕，罪魁祸首被认定为球形闪电，里奇曼也成为第一个为研究电学而牺牲的科学家。

1963年，已故的天文学家Roger Jennison曾在夜间乘坐航班穿过风暴。一道闪电击中飞机后，他目睹了一个篮球大小的球形闪电。Jennison描述道：“球状闪电在驾驶舱出现，随后沿着机舱走道笔直地移动，始终保持着同样的高度。”另一次球状闪电事件是英国的一位女士在家中遇到的。当时她正坐在椅子上，忽然一个与西柚大小相当、边缘蓬松的橙色火球毫无征兆地穿过窗户进到室内。关闭的玻璃窗和百叶窗丝毫没有阻碍火球的移动。火球在肩膀高度上水平移动了大约10秒钟，紧接着爆发出一声惊雷，巨大的声响吓得女士直接从座椅上跳了起来。

1969年，电子实验室的R.C. Jennison在一篇发表在《自然》杂志上的文章中描述了他对球状闪电的观察：“ 我坐在一架全金属（东方航空EA 539航班）的客舱前部，正在从飞往华盛顿哥伦比亚特区的深夜航班上。飞机在飞行过程中遇到了一场电暴，在其中它突然被一道明亮而响亮的电放电所包围，在这之后几秒钟，一个直径略大于20厘米（8英寸）的发光球体出现在驾驶舱，并沿着飞机过道滑行，离我约50厘米（20英寸），在观察到的整段距离上，它保持了相同的高度和航线。”

1994年8月6日，在瑞典，发生了一次球状闪电穿过封闭窗户的事件，留下了一个直径约5厘米（2英寸）的圆形孔。窗户上的这个孔在几天后被发现，人们认为这可能是在雷暴期间发生的，当地居民目击到了一次闪电打击，而乌普萨拉大学电力与闪电研究部门的闪电打击跟踪系统也记录下了这次闪电打击事件。

二十一世纪的观测与发现

2005年，格恩西岛发生了一起事件，一架飞机明显被球状闪电击落，导致地面上出现多次火球目击事件。

2011年7月10日，捷克利贝雷茨市的一个强烈雷暴期间，一颗带有两米长尾巴的球状闪电穿过了当地紧急服务控制室的窗户，这颗球状闪电从窗户弹到天花板，然后到地板，再弹回，然后沿着地面滚动了两到三米。然后它掉到地板上并消失了，控制室内的工作人员感到害怕，闻到电气气味和烧焦的电缆，以为有什么东西着火了。所有通讯设备在技术人员修复之前在当晚都中断了，除了对设备造成的损坏外，还有一个显示器被摧毁。

2012年，教授课题组在青海大通回族土族自治县进行自然闪电的光谱观测实验中首次拍摄到自然界球状闪电的全过程及其发射光谱。

2014年8月，一团巨大的球状闪电进入水利水保局大楼3层的楼道内，瞬间发生爆炸，前后时间不到1秒，造成5台计算机损坏，无人员伤亡。

2014年12月15日，的洛根航空（Loganair）6780号航班在闪电击中飞机机头之前，机舱前部经历了球状闪电事件，导致飞机高度下降了数千英尺，差点在距离北海仅1100英尺的地方进行了紧急降落，最终降落在。

2018年3月，美国阿默斯特学院、芬兰等机构研究人员在新一期美国《科学进展》杂志上发表论文说，他们创造出的量子力学新结构与上述理论中的电磁场结构非常相似。该成果可能有助于在核聚变反应堆中使等离子体球维持稳定，促进受控核聚变研究。新结构是一种斯格明子，后者是一类相对稳定、性质类似粒子的物理结构，几十年前就有理论预言其存在，但近年来才在实验中观察到。此前发现的磁性斯格明子都是二维的，这项研究是首次创造出三维的斯格明子。实验中，研究人员把原子冷却到极低温度，转变成萨特延德拉·玻色凝聚态，该状态下的原子失去了个性，所有原子拥有相同的量子态，行动整齐划一。用经过特殊设计的电磁场影响这些原子，可使它们的一种量子属性——自旋发生变化，组成三维斯格明子。自旋使原子的行为类似于微小，因此斯格明子能够模拟出球状闪电模型里的电磁场结。

2022年6月24日，奥地利州Liebenberg地区的一位退休女士在一次大规模的雷暴前沿中，看到了东北方的刺眼的云对地闪电，不到1分钟后她看到了一个黄色的"燃烧物体"，沿着当地的道路上空约15米的波浪状轨迹移动。这发生在当地一次雷暴云的尾部，欧洲严重风暴实验室将这记录为球状闪电事件。

特性

形状与特征

球状闪电经常与云对电放电几乎同时出现，它们通常是球形或梨形的，边缘模糊，平均直径为25厘米，大多数的直径范围在10至100厘米之间，最小的和最大的直径相差悬殊，小至0.5厘米，大的竟达数米。球状闪电被目击者描述为透明、半透明、多色、均匀照明、辐射火焰、细丝或火花，形状在球体、椭圆形、泪滴、棒状或圆盘之间变化。球状闪电并非一个真正意义上的球体，通常为一个大体的球形或者带有尖状的凸起。

化学组成

科学家推测，球状闪电是一种气体漩涡，是一团带有高电荷的气体混合物，主要由氧、氮、氢以及少量的组成。

颜色

球状闪电的亮度大致相当于家用灯的亮度，因此在日光下可以清楚地看到它们，已经观察到各种各样的颜色，红色，橙色和黄色是最常见的，期间亮度保持相当恒定，有时还会看到球状闪电呈现出环状或由中心向外延伸的蓝色光量，发出火花或射线。

温度

球状闪电的高温能把周围树木烤焦，也出现过人类因球状闪电受伤死亡的案例。

运动相关

球状闪电倾向于以每秒几米的速度移动，最常见的是在水平方向移动，但也可能垂直移动，保持静止或不稳定地徘徊。

存在时间

球状闪电存在时间短，一般为几秒，特别的可长达几分钟，10%的持续时间是30秒，最长的持续时间可达15分钟。

金属亲和性

有些球状闪电表现出对金属物体的亲和力，并可能沿着导体（如电线或金属围栏）移动。

球状闪电的观测

实验室中的球状闪电

长期以来，科学家们一直试图在实验室实验中产生球状闪电。虽然一些实验产生的效果在视觉上与自然球状闪电的报告相似，但尚未确定是否存在任何关系。据报道，（Nikola Tesla）人工生产了一个1.5英寸（3.8厘米）的球状闪电，并演示了球状闪电的一些特性。

（Tesla）在对更高的电压和功率以及远程电力传输进行实验研究时，也意外人工制造了球状闪电。特斯拉在纽约的实验室里无意间制成过球状闪电，它可以轻而易举地穿墙而过，然后炸毁墙壁另一侧的机器。但球状闪电并不常见，到了的实验室里，特斯拉开始频繁观测到球状闪电。球状闪电经常出现在高压设备上，特斯拉可以在研究无线输电的间隙去观测球状闪电，但他不得不时时刻刻对球状闪电保持警惕。

Ohtsuki和Ofuruton在波导微粒实验相关里描述了球状闪电，他们通过使用2.45GHz，5kW（最大功率）微波振荡器在充满空气的圆柱形腔内由于微波干扰产生的“等离子体火球”。

研究所内一些科学家通过在水箱中放电高压电容器产生了球状闪电。

2007年的实验涉及用电冲击硅晶片，使硅蒸发并诱导蒸汽中的氧化。视觉效果可以描述为在表面上滚动的小发光、闪闪发光的球体。据报道，伯南布哥联邦大学的两位巴西科学家Antonio Pavão和Gerson Paiva一直使用这种方法制造出球状闪电，这些实验源于球状闪电实际上是氧化硅蒸气的理论（见下面的汽化硅假说）。

自然界中的球状闪电

的研究人员教授及博士生岑建勇和薛思敏首次拍摄到自然界球状闪电的全过程及其发射光谱，研究成果发表在《Physical Review Letters》（PRL 112, 035001, 2014）上。论文被该杂志选为Highlight 和 Editor’s suggestion文章，被美国物理学会网站以焦点（Physical Review Focus）的形式突出介绍，并被Physics World, New Scientist，央视新闻联播，人民日报，科技日报，等国内外知名网站和媒体报道。他们总共制作了3000.0秒的球状闪电及其光谱的数字视频，从普通闪电撞击地面后形成的球状闪电，一直到光学衰减的现象。额外的视频由高速（78帧/秒）摄像机录制，由于其记录容量有限，该摄像机仅捕获了事件的最后8.6秒。两台相机都配备了无狭缝光谱仪。研究人员检测到中性原子硅、钙、铁、氮和氧的发射线，与母闪电光谱中主要电离的氮发射线形成鲜明对比。球状闪电以相当于 28.5 米/秒（16 英尺/秒）的平均速度水平穿过视频帧。

该研究成果的光谱资料是2012年夏季教授课题组在青海大通回族土族自治县进行自然闪电的光谱观测实验中获得的。本次野外实验记录到的球状闪电发生在一座小山上，是由云对地闪电击中地面后形成的，距观测点约900米，持续发光时间为1.64秒。通过光谱分析知道，其发射谱线主要来自于土壤和空气。该研究成果首次证实了自然界中球状闪电的产生形式以及主要成分，为理论和实验上对自然界球状闪电的进一步探究提供了重要依据。

2014年8月5日，球状闪电在水利水保局大楼3层的楼道内瞬间发生爆炸，前后时间不到1秒，据当事人描述：“一个巨大的火球，带着夕阳红的色彩，从没有防护栏、打开着的塑钢窗户里闯进来，速度特别快，瞬间发生爆炸，然后就消失了。”据估计该球状闪电直径约40cm，瞬间发生爆炸，响声很大，造成5台损坏。

危害和预防

球状闪电很轻并有磁场，有时球闪会沿着导体或烟道飞行，在电磁场的作用下也可能逆风飘移，它的磁场会给其临近的金属造成涡型感应电流而使金属融化，还能够严重干扰和破坏电器设备，有时会造成导线融化、电路短路，导致严重的停电事故。

球状闪电的运动路线，一般是从高空直接下降，接近地面时突然改向作水平移动；有的突然在地面出现，弯曲前进；也有的沿着地表滚动并迅速旋转，运动速度常为每秒1米～2米。它可以穿过门窗，常见的是穿过烟囱后进入建筑物，它甚至可以在导线上滑动，有时还发出“嗡嗡”声。多数火球无声消失，有的在消失时有爆炸声，可以造成破坏，甚至使建筑物倒塌，使人和家畜死亡。这种闪电遇人遇物后即发生惊人的爆炸，产生刺鼻的气味，造成伤亡、火灾等事故。

预防球状闪电的办法是，在雷雨天气，紧闭门窗，避免穿堂风。如果遇到飘浮的“火球”，轻轻地避开它，千万不要去碰。