球形闪电的形成及运行机理初探

第 19卷 第 3期 2007年 9月 甘肃科 学 学 报 Journal of Gansu Sciences Vo1．19 No．3 Sep．2007 球形闪电的形成及运行机理初探 阎爱玲 ，吴东平 ，周教生 ，雷桂林 ，曲红斌。 (1．甘肃联合大学 理工学院，甘肃 兰州 730000；2．兰州大学 物理科学与技术学院，甘肃 兰州 730000； 3．兰州科技外语学校，甘肃 兰州 730000) 摘 要： 指出了闪电时形成的离子管形层流，其间歇流动产生涡环，提出了由若干导电离子流形成 的涡环组合，它们问的相互作用构成稳定的球形闪电，该假设能解释球形闪电的形成、构造及其长寿 命等基本性质． 关键词 ： 球形闪电；离子流涡环 ；涡环组合 中图分类号： P427．32 文献标识码： A 文章编号：1004—0366(2007)03—0051—03 The Formation of the Ball Lightning Flash and Its Circulating M echanism YAN Ai—ling ，WU Dong—ping。，ZHOU Jiao—sheng ，LEI Gui—ling ，QU Hong—bing。 (1．School of Science and Technology，Gansu United University，Lanzhou 730000，China；2．School of Physical Sciences and Technology，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China；3．Lanzhou College of Scientific Foreign Languages，La nzhou 730000，China) Abstract： It is pointed out that the ionic tubular layer flow is formed in lightning flashes and that its intermittent curreat gives rise to the eddies．The interaction between the eddies that conduct electricity constitutes the stable ball lightning．This supposition can explain its basic characteristics concerned with its formation，stracture and the span of life． Key words： ball lightning flash；eddy and circulation of ion flows；combination of eddy and circulation 球形闪电现象从被科学家确定以来，就向科学 家提出了一个长达两世纪之久的难题．此间，曾有一 些球形闪电的形成及运动的理论_1]，如化学反应理 论、射频理论、相干辐射理论等．这些理论都有一定 的合理性，但都不能圆满的解释球闪(球形闪电的简 称)产生和基本性质．尤其不能解释球形闪电的长寿 命问题．文献[23能解释球闪的能量来源，及硅微粒 氧化时间与球闪的寿命一致，我们没有介绍球闪的 结构．文献[33指出有可能产生一个不稳定的涡环， 但不能解释球闪为什么是球形并具有稳定结构． 我们在大量球闪目击者描述的现象时，提 出了球闪的形成机理，它是由一般闪电的离子流在 受到干扰时出现间歇流动而产生的涡环，涡环间的 相互作用构成稳定的球闪．该假设不但能解释球闪 的形成、构成、长寿命等许多基本性质，而且能解释 自然界中或实验室中的球形发光现象． 1 离子流涡环的形成 I．I 管形层流可看作管状涡环 如图1(a)所示，在(ma，a)的管内，流体以速度 沿OX轴正方向运动．这种管形层流等价于在管面 绵密排列的涡丝——涡环 ，称之为管状涡环．其剖面 图见图 1(a)．结论证明如下： 在电磁学中，无限长螺线管，在轴向单位长度 匝，导线中电流强度为，，则管内外磁感强度分别为 nI、0．仿此，如在 轴向单位长度上的涡环强度为 r1 y，y= = ，则激起管内外的流速分别为(可参考 文献[4]的计算) 收稿日期：2006—05—26 基金项 目：国家自然科学基金重点资助项目(3963025)；国家自然科学基金基本重大研究项目(90102011) 甘肃省 自然科学基金(YSO21一A21-016)资助 维普资讯 http://www.cqvip.com 52 甘 肃 科 学 学 报 2007年 第 3期 Y ————_-． “， --·-·—-----—-----——-_． 圆 圆 圆 圆 0 0 0 0 0 0 ---——-—-----——------_． - - - - - -· — · — - ． (hi 图1 管状层流剖面 一 y， (当一n< n时) 这就是管形层流． 1．2 第 2类管形层流 见图1(b)，在(一n，n)的管内，离子流速为0；在 管外，即 <一n或 >n时流速为 f0，(一n> b或 <一6)， 1一 < <6或一6< < 类似于在管面绵密排列的涡环．涡线的方向见图 1 (b)，它与图 1(a)中的涡线方向相反．这是雷电中实 际发生的另一类管形层流． 1．3 涡环的产生 管形层流当受到干扰后，变为脉冲或间歇流动， 这种脉冲或间歇管形层流就会形成涡环 ．根据干 扰情况可形成 1个或几个涡环，即涡环组合． 1．4 离子流涡环的形成 在闪电中空气被击穿成为导电离子流．即为离 子管形层流．离子流脉冲或间歇放电时(间歇放电在 闪电中占绝大部分[ )，就会形成一个或几个离子流 涡环，即离子流涡环组合． 2 离子流涡环组合形成稳定球形闪电 2．1 2个涡环的相互作用 有 2个同轴涡环，设该轴为X轴，它们以共同的 速度 沿X轴正方向运动， 一 n詈， 一 胁 ’ 式中r为涡环强度，e为涡环粗细(半径)，n为环的 半径(参见文献E5-1)．涡环的方向如图 2所示，则左 边的涡环使右边的涡环变大，而右边的涡环使左边 的涡环变小；左边的涡环变小后受到右边涡环的作 用，使之附加一个向右的速度 ，其大小为 4— 一4 一 而 ’ 式中r为涡环的强度，R为左边涡环的半径，X为二 涡环的距离．此后小涡环将从大环中心穿过到大环 的右边．以后将重复这个过程，即此时的右环变大， 左环变小，并从右环中心穿过去．这样的穿行将一直 进行下去，直到能量耗尽，这在文献E5-1中有详尽的 描述．其寿命可达数秒．二环在相互穿行时，能量在 二环间转化，其相互作用能散失得少，会增长它们的 寿命． 毒 (b) 图 2 2个涡环的相 互作 用 2．2 离子流涡环组合的运行机理 对于在同一轴线的涡环组合(3个及 3个以上 涡环)，它们相互作用的结果，构成沿轴线运动的近 似的闪光球形，最左边的小涡环将从右边的涡环中 心穿向右侧，如同2个涡环的情形类似，只是相互作 用更强、穿行的更快、结构更稳定．这样穿行将依序 进行下去，这就是球形闪电的构成及运行机理． 2．3 第2类管形层流形成的离子流涡环 这类涡环的运动方向与涡环间相互穿行的方向 相反，是球形闪电在空间移动速率变小． 2．4 离子流涡环组合的形状 如果涡环向右运动和穿行，则右边的涡环使左 边的涡环变小，最左边的涡环最小，其右边的涡环依 次变大；左边的涡环穿到最右边仍然最小，从右往左 逐渐变大．这样就形成中间大，左右两边小的横向观 测图(图 3a)，图 3是 5个涡环的横向与纵向观测 图，图 3b是在涡环运动的前方或后方看到的图形． (“)横向模拟 (6)纵向模拟 图 3 5个涡环球 闪的模拟 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 19卷 阎爱玲等：球形闪电的形成及运行机理初探 53 3 球形闪电有关问题的讨论 3．1 球形闪电在云地闪电中存在较多 云地问主要由地向上放电是由尖端放电而产 生，因此，管形层流直径小、电流密度大、可以形成直 径为 10 cm较亮的球闪，容易被观察到．在云地闪电 中b类各种闪电及 2a、4a类云地闪电Ⅲ容易产生 球闪． 云中不易形成电荷体密度大的云层，因此在云 与云间的闪电离子流管的直径较大，可形成直径大 的、亮度小的球闪，距离地面较高，不易被观察到．故 观察到的球闪以云地间一般闪电形成球闪为多． 3．2 在闪电末端或弯曲处产生球闪 这是因为在云地闪电的末端及弯曲处容易形成 管形层流的问断，故涡环产生，进而相互作用形成球 闪，其能量来源为闪电后期的电能． 3．3 球闪的观测 如果以上假定成立，则应有图 3的观测图像，并 且 a图中两侧的圆环亮，中间的圆环次之；b图中中 心的圆环明亮，周围圆环次之，最中心有一个暗点 (该暗点被强光掩盖，可能观溅不到)．圆环亮度差异 的原因是各涡环能量相同，

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面稞小的亮度大，表面 积大的亮度小，从而造成圆环亮度的差异． 许多目击者关于球闪的描述都可以用以上的球 闪的运动机理得到解释[5]．为了定量的描述球闪，其 基础是电磁学与流体力学[7叫]，还需大量观察测量 数据及复杂的计算，将在以后的研究中得出结果． 3．4 球形发光现象及运行机理 一 些是指 自然现象的不稳定的球形发光现象， 如流星、燃烧气体等形成的球形发光现象．流星在空 气中运行与空气磨擦，使之电离发光，留下一条光亮 的尾巴，这是空气离子流形成绵密排列的管状涡环． 流星飞行时，因流星爆炸或受到空气流冲击出现间 断形成若干涡环，涡环问相互作用形成稳定的球形 发光现象，其能量来源于热能，这就是人们有时目击 到的 UFO现象的一部分．它多发生在流星雨期间． 熊熊燃烧大火，有时会出现燃烧的火球，燃烧的 火球带有未燃尽的灰烬火焰在剧烈升腾时被气流冲 击出现间断，形成燃烧的涡环，涡环间的相互作用就 形成火球，如大兴安岭火灾时，飞向漠河县城的火球 即是．球闪只是 UFO的一种，属于自然现象，这同 文献[3]的结论相同．UFO是一种广泛的概念，其广 泛的概念大体上分以下几类：①一种自然现象；②已 知人造飞行物(一旦查清就不属于 UFO了)；③人 眼的幻觉或反射、折射现象；④外星飞行物，球闪是 作为一种雷电时发生的自然现象． 参考文献： [1] (英)周诗健，孙景群译，阮忠家校．雷电(上卷)[M]．北京：电力 工业出版社，1982．336—347，70—72，73—77． [23 John Abrahamson，James Dinniss．Ball Lightning Caused by Oxidation of Nanoparticle Networks from Normal Lightning Strikes on Soil[J]．Nature，2000，3(403)：519．21． [3] Philip Cohen．Ball Lightning Experiments Produce UFOs[M]． Nando News。1999． [4] 余志毫，王严昌．流体力学[M]．北京：气象出版社，1982．146— 149． [53 吴望一．流体力学(上册)[M]．北京：北京大学出版社，1982． 236． [6] Singer S．The Nature of Ball Lighting．Plenum Pres，New Yo— rk，Mir Publishers，Moscow，1 973． [7] 雷桂林，曲红斌．趋肤效应 的理论解释 [J]．甘肃科学学报， 2005，17(1)：28—30． [8] 雷桂林，周教生．电场通量定理的推广[J]．甘肃科学学报， 2005，17(2)：45—47． [9] 周教生，王霞，李建峰，等．浅析流体力学与电动力学的统一性 与相似性[J]．武汉工程职业技术学院学报，2006，18(4)：25— 29． 作者 简介 ： 阎爱玲，(1964一)女，山西省人，1986年毕业于西北师范大学物理技术学院，现任甘肃联合大学理工学院电信系讲师，从事 物理与电子方面的教学与研究． 维普资讯 http://www.cqvip.com