球狀閃電：連完全封閉的飛機都能進得去

能進入正在飛行的飛機，也能在你的房間內突然爆炸的球狀閃電究竟是怎樣形成的？浙江大學武慧春教授給出新的解釋。

撰文 | Chris Drudge

翻譯 | 趙昌昊

編輯 | 吳非

只要條件適宜，一團空氣也可以燃燒。這種火焰多見於深夜，又沒有顯而易見的解釋，由此引出大量神秘的遐想，也就不足為奇了。在中世紀的拉丁語中，這種球形火焰被稱為ignis fatuus，意為「愚蠢的火焰」；在英國民間傳說中，它被稱為「will-o -the-wisp」，意為「火炬之靈」；現在我們則更多地將它稱為「鬼火」以及「球狀閃電」。坊間傳言，這些火球可能出現在墳墓上空，或者沿著河岸遊盪，它可能預示著即將到達的地震，有時還會潛伏在飛機的走道上。我們至今仍未能完全合理地解釋這些球形火焰是如何形成、如何運動的，但科學家始終在努力探尋。

近期，浙江大學物理學系聚變理論與模擬中心的武慧春教授在《科學報告》（Scientific Report）雜誌上發表文章，就球狀閃電的形成原理，提出了一種頗具說服力的新解釋。

空中飄蕩著的火球，其實有兩種類型。一種是由有機生命體產生的，例如沼澤濕地或墳地中有機物的腐敗分解，會產生甲烷和含磷的氣體（比如磷化氫）。這些氣體接觸到氧氣之後自燃，飄蕩在半空中，便形成俗稱的「鬼火」。另一種火球，則是源於自然界中的放電過程。例如地震時，地下的岩石碰撞擠壓，可能會產生電荷，釋放到地面上，與空氣相互作用，放電形成火光。還有一些是在雷暴天氣中，在大氣中形成，這樣的火球就被成為「球狀閃電」。

球狀閃電顏色多變，大小也各有不同，小者如玻璃彈珠，大者如健身房裡用的瑜伽球。它們可以在封閉的空間中生成，可以豎直穿過煙囪，也可以水平穿透關閉著的窗戶。球狀閃電不僅發光，還會迸濺火花，發出滋滋的聲響，散發出刺激性的氣味。通常，球狀閃電只能持續幾秒鐘，亮度如同一個明亮的家用電燈泡。球狀閃電行蹤多變，難以預料，人們很為其難找到一個明確的理論解釋，但它們的詭異特徵已經記載於近幾個世紀的文獻資料中。

一幅1901年的雕版繪畫記錄了一次球狀閃電事件

已故的天文學家Roger Jennison曾在1963年春天乘坐夜間航班穿過風暴。一道閃電擊中飛機後，他目睹了一個籃球大小的球形閃電。Jennison描述道：「球狀閃電在駕駛艙出現，隨後沿著機艙走道筆直地移動，始終保持著同樣的高度。」

另一次球狀閃電事件是英國的一位女士在家中遇到的。當時她正坐在椅子上，忽然一個與西柚大小相當、邊緣蓬鬆的橙色火球毫無徵兆地穿過窗戶進到室內。關閉的玻璃窗和百葉窗絲毫沒有阻礙火球的移動。火球在肩膀高度上水平移動了大約10秒鐘，緊接著爆發出一聲驚雷，巨大的聲響嚇得女士直接從座椅上跳了起來。

根據上面這些描述，球狀閃電能夠穿過玻璃窗，還能直接在飛機內部形成，這些現象很難得到明確的解釋。而關於球狀閃電的形成原因，科學家更是眾說紛紜，這些理論甚至比球狀閃電的物理性質本身還要複雜。我們不妨列舉一些試圖解釋球狀閃電本質的理論，包括認為它是一團熾熱的硅粒子，或是一種天然核反應，或者是閃電誘發的癲癇幻覺，還有可能是小型黑洞，或是由纖維素和其他天然聚合物形成的複合物質，以及充斥著微波的等離子體氣團，等等。

武慧春教授正是從微波等離子體氣團的角度來理解球狀閃電的。此前，研究者提出，空中的雷雨雲相當於一個大氣微波激射器，它發出的微波輻射可以在大氣中形成微波等離子體氣團。然而，武慧春的理論表明，閃電會製造出一束速度接近光速的高能量電子，這些運動電子再進一步產生微波。具體來說，電子被大氣中的電場加速，雲層底部與地面之間形成一個電子通道，眾多電子沿著這個通道一簇一簇地由雲層移動到地面，便是我們所熟知的閃電。武慧春說：「閃電擊中地面的瞬間，會製造出相對論性的電子束，這些電子會進一步產生微波輻射。」

不管大氣中的微波是來自於雲層，還是來自於高能量電子，它都會使臨近的空氣電離，形成等離子體。微波對等離子體產生壓力，將等離子體壓縮成一個氣團，如此便形成了人們所見到的球狀閃電。同時，囚禁在氣團中的微波持續與空氣發生作用，產生等離子體，從而能夠使球狀閃電維持短暫的幾秒鐘，直到氣團內的微波能量耗盡。有時，等離子體氣團會發生破裂，微波泄漏出來，致使氣團發生爆炸而消失。

如果球狀閃電確實是由微波和等離子體構成的，那麼球狀閃電的許多性質便會自然而然地得到解釋。比如，微波可以穿過玻璃，因此球狀閃電也就能夠穿過玻璃窗進入室內；微波傳播到人類的內耳時，會產生人耳可聞的雜訊；等離子體則會使得空氣中的氧氣轉化成臭氧，產生刺鼻的氣味。

當然，關於球狀閃電起源的各種微波-等離子體理論都能解釋上述現象。而武慧春的微波起源理論之所以能夠獨樹一幟，關鍵在於，它解釋了飛機中為何會出現球狀閃電。電子是遠小於原子的微觀粒子，當電子在飛機外被閃電加速後，便能夠穿過飛機的金屬外殼。機艙內的電子在運動過程中發出微波輻射，從而形成球狀閃電。電子產生微波，微波又產生等離子體，球狀閃電的這種形成機制，也能解釋其大小：被閃電加速的電子束的長度，剛好與微波-等離子體氣團的20~50厘米的典型直徑相符。

對於一項科學研究來說，僅僅提出一個自洽的理論還不夠。目前，武慧春的理論得到了粒子模擬的支持，下一步還需要通過實驗來驗證，球狀閃電的電子-微波-等離子體形成機制是否成立。為此，研究人員需要想辦法通過人工閃電的方式製造球狀閃電，並且探測該過程中的高速電子和微波。如果武慧春的理論成立，那麼我們就要考慮，雷暴中產生的高能電子和微波輻射是否會對人體造成傷害。

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