球状闪电与等离子体的约束

球必 电 高孑体的 束 陆 文 庆 (沈 阳工业学 院理学分 院 辽宁 110016) 一 、 雷 电与球状闪电 人们知道在雷 阵雨 天气经 常会 出现雷电 ，这是 由于云层间或云地间的电荷瞬间放电造成 的。雷电 往往给人们恐怖威严之感 ，一方面它会给 自然界和 人类环境造成一定的破坏 ，有时会毁坏建筑 、引起火 灾甚至造成人员伤亡 ，自古 以来 人们就渴望对 它的 本质进行认识 ，如今 现代科技“防雷”已成 为应用 于 许多领域 的重要技 术 ；另一 方面雷 电促进 了降雨和 植物生长，对有机物的合成及生命的起源起着特殊 的作用 ，它也促进 了人类 对 电现象 本质 的认识 。雷 雨云是所有云层中最厚的，其云层厚度可达 10公 里 ，由于云层内部重力浮力和空气对流的作用 ，云中 大量带有正负电荷 的微粒分离 ，在云 中形成若 干个 正负电荷中心 。随着 电场 的增 大 ，就会产 生云层间 和云地 间的放电，使电介质 一空气击穿 ，随 即产 生强 大的电流，电流经过的通道产生高温等离子体，并将 等离子激发至高能态放出强光 ，强电流传导通道就 形成闪电，随着高温而产生的高压等离子体因急剧 膨胀而消散，产生强烈的纵波向周围扩散造成巨大 的雷声 ，这就是雷电产生的机理。 枝状闪电较为平常，而奇特的球状闪电(以下简 称球闪)则很少见 ，从 目击者的描述来看球 闪有许多 奇 异的特征。球闪一般为球状 ，也有环状 、柱状的， 从拳头到脸盆大小 的都有 ；往往呈橙黄色 ，像气球一 样飘忽不定 ，但能逆风飘移 ，常伴有 嘶嘶的响声 ；有 的能量非常大，有热辐射效应，能灼伤人体、破坏建 筑或引起燃烧，少部分能量很小，没有热感，像冷的 物体一样；常有电磁效应 ，它喜欢沿着导体运动，能 使 电器设备烧毁短路 ，《梦溪笔谈》中描写它使 宝刀 融化而刀鞘却完好无损 。 二、球 闪机理的物理解释 球闪既神秘又令人费解 ，目前有 化学燃烧论 、核 反应论、射频论、等离子论等各种解释，大多数球闪有 较强的电磁效应，如仅使非金属中的金属熔化，容易 使其所经之处停电，这说明球闪是等离子体的观点更 为合理些。由于这种现象罕见，目前实验难以进行研 究验证，这些解 释 也 只 能 是 一 些假说 。在此我 们 提 出球 闪形 成机制 的等离 子 体 自我 约 束 假说，并给出其 过 程 的物 理 图 + + + ++ · + + + 像 ，以解释球 闪 图1 云地感应电荷产生强电场即将引起放电 的现象，也想探讨一种对等离子约束的新方法。下面 成果是在试样表 面涂上 各种不 同的液体涂层 ，涂层 可增强对光能量 的吸收。 激光超声信号检 测灵敏度问题 从样品表面进入干涉仪的光通量越多，检测的 信噪比越好。在实验室里，检测样品表面被高度抛 光 ，以尽可能加大反射光 的接 收量。然而在工作现 场 ，表面会发生漫反射或很脏 ，这对许多领域 的推广 应用是临界的 ，且大多数激光超声 波系统 的灵敏度 在数量级上比常规超声 无损检测系统要差些 ，如果 激光超声信号的检测灵敏度特别高，反过来可以降 低对激发超声信号的激光功率的要求，由于换能器 检测的局限性，不太适合检测激光超声信号。针对 这种情况 ，笔者建议应进一步发展光学检测法 ，光学 15卷 5期(总 89期) 检测法特别适合 于窄脉冲激光产生 的宽频带超声检 测，因此提高光学检测法的灵敏度是 目前发展趋势 之 一 。 若上述两个问题得到解决，激光超声技术将得 到更广泛 的应用 。 由于激光超声无损检测技 术具 有非接触 、可远 距离测量、高的时间分辨率及空间分辨率等一系列 优点 ，特别适用于恶劣环境条件下的在线检测 、快速 超声扫描成像等一系列实际场合。虽然 目前存在着 一 些技术难题，但是如果由激光能量到超声能量的 转换频率以及激光超声信号检测灵敏度进一步提 高，激光超声技术的应用将更加广泛，激光超声无损 检测技术会有更加广阔的前景 。 维普资讯 http://www.cqvip.com 我们就运用电磁学理论结合等离子体特点分析球闪 形成的原 因。 雷雨天气 中积雨云层底部一般会积累大量的负 电荷 ，并在地 面感应出等量的正 电荷 ，因此形成强大 的电场，当电场强度达到能电离空气中的大量分子 时 ，空气就不再是 绝缘体 ，放 电就要 产生 (如 图 1)， 地面和云层分别伸出带有正负电荷的火舌迅速汇 合 ，在 电火舌交汇之处 产生强 大的放 电电流。根据 安培环路定律该强放电电流必然同时产生强大的磁 场。我们根据麦克斯韦方程来定量分析 日．dl： ，+ll ．ds J JJ s dt 设闪电电流为 ， ，闪电通道半径为 r，在此把闪 电电流定义为无限长直线电流，假设 电流在 闪道 内均 匀分布 ，闪道附近电场变化所激发 的磁场相对电流所 激发 的磁 场 可 以忽 略，闪 电 发生 时 主 闪放 电可 达 1万 10万安培 ，闪道半径一般为 1 5厘米，闪电通 ． ． ， 道边缘的磁场强度最大，由 B = 的关系式可知 ， 最大磁感应强度为 20OO 4OO0高斯，闪道内的磁场是 内弱外强的(如图 2)，起到对等离子体的箍缩作用。 闪电道内电流 ／ -＼I _一 === ，一__ > 。 、～ === 。＼ -一 感应磁场 图2 闪电电流产生感应磁场 强大的电流使得闪道内的温度可达 20000％， 必然使闪道内的空气形成腊肠等离子体，由于电火 舌交汇处放电电流最为强大 ，此处 的腊肠等离子体 的截面最宽(如图 3)，根据等离子体的腊肠截断效 应 ，腊 肠 截 面 较 窄的等离 子体 容 易消散，在火 舌 交汇点 的等离 子 体最易存 留。同 闪电 电流 同时产 生的磁 场先 于等 离子体 存在 ，磁 · 28 · 图3 闪电电流通道内产生高温等离子体 场就固化在等离子体 中。由于闪电电流是瞬间的放 电电流 ，放电后 电流必然很快消失 ，这时如果没有等 离子体，其周围的磁场也必然同时消失，但由于等离 子体的电磁特性 ，即便原 磁场消失等离子体 内也会 产生环形感应电流，以保持原来体内的磁场分布(如 图 4)，感应 电流相 当于环形螺线管 电流 ，在 内部 产 生磁场 B= nl= ∑ J，此磁 场应等于原磁场 ，∑ J 为所有环形感应 电流之 和，由最大感应 电流总和 的 数量关 系式 ∑ ，=B ／ =，闪]2~rr，可知球 闪的 内部 电流最大可达 16万 一32万安培 ! 环形感应电流 图4 在等离子体内产生感应电流以保持原来的磁场 由此 可 见 等 离 子 体 内 的环形 感 应 电流 总 和 可能 十分 强大 ，每个环形 电流 对其 流经 的等离 子 体都有箍缩作用，相邻的 环 形 电流也 有 相 互 吸 引 作用 ，相 当于两 个 N极 s 极相 邻 的小磁 针 (如 图 5)，产生对整 体的箍缩作 用 ，箍缩力 显然与感应 电 图 5 相邻的电流环间相互 吸引相当于两个小磁针 流强度成正比关系，由于感应电流强度很大，箍缩力 _ 内 图6 形成天然的球状磁瓶式约束体，看似火球 现代物理知识 维普资讯 http://www.cqvip.com 就十分巨大，足以同等离子体内的高温膨胀力相平 衡，形成天然的球状磁瓶式的等离子约束体(如图 6)，一般来说球闪直径应为闪道直径 的 2倍 ，当箍缩 力较大时球 闪体积就会变小些 ，当内部膨 胀力较大 时，球闪的体积就会变大些。由于感应电流的自然 减弱，其对等离子体的箍缩力也会降低，但由于热辐 射等离子体的压强也会随温度降低而下降，球闪在 一 定时间内是能够 维持 动态平衡 的，因而体积不会 发生明显变化，因此由高温等离子体组成的球闪可 存在 10秒钟甚至更长时间。 三 、球 闪的特点及解释 球 闪很轻并有磁场 ，根据楞次定律 ，当有物体接 近它时 ，它易使该 物体产生有排斥力 的微 弱感 应电 流，当有物体离它远去时，它易使物体产生有吸引力 的微弱感应电流 ，因此球闪有排斥 同实物物体接触 的能力 。如果 目击者试 图接近它 ，它会躲避 ；如果 目 击者想躲避它，它还会跟随而来，有时球闪也会沿着 导体或烟道飞行 ，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，它的磁场可以随着等 离子体伸缩而伸缩，有时它可能安然挤过窄缝。球 闪是电磁体，飘忽不定，在电磁场的作用下可能逆风 飘移，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 闪表面 的电流同外部空气摩擦或轻微放电而产生嘶嘶的声 音，其体内感应电流也能长时间激发等离子体发光， 由于感应电流分散和自耗 ，其激发等离子发光已不 如放电发光的强度大，一般球闪呈现不十分耀眼的 橙黄色。有的球闪内部等离子体的温度较低，较弱 的电流就能约束其形成球形闪电，这种球闪能量低 属于冷球闪。 当然 由于热辐射和焦耳热最终将使球 闪熄灭 ， 随着感应电流的减弱其磁场也会减弱，其排斥同其 他物体接触的能力就会降低，如果球闪带有一定的 净电荷，它就同周围形成电势差，就有可能因同周围 物体放电而解体，由于感应电流约束解除，内部的高 温等离子体喷出而伴随有较大的爆裂声。如果球闪 净电荷为零且 内部温度较低 ，它就可能悄悄地消逝。 从以上论述可以看出，等离子理论是能够解释球闪 的产生和其行为表现特性，在高压设备尤其是高压 开关，有时也会放电产生电火球 ，这同球闪产生的机 制是一样的，只不过 由于电压和电流没有雷 电那 么 强大，产生的电火球一般都较小，存在寿命也较短， 但一般寿命也可达 1秒钟。 15卷 5期(总 89期) 有关球状 闪电之谜 ，最近新西 兰坎特伯雷大学 科学家阿伯拉翰森和戴尼斯提出一种解释。他们认 为 ，球形闪电是硅燃烧发光所致。该理论认为 ，当土 壤被雷 电袭击后 ，会 向大气释放含有硅的纳米微粒 ， 来自雷电袭击的能量以化学能的形式储藏在这些纳 米微粒中，当达到一定高温时，这些微粒就会氧化并 释放能量 。研究人员将 土壤样品暴露于跟闪电过程 一 样的条件下，便会产生含有硅的纳米微粒，其被氧 化的速率与球形闪电平均 10秒的生命周期是一致 的。但据 1999年国际等离子科学会议的，有科 学家用火箭人工在高空 中诱发 闪电 ，并多次发 现球 状 闪电，这种现象较容易用本文的观点来解释 ，而用 新西兰科学 家的观点就很难解释 。 由于火球产生 的条件并不完全相 同，所 表现的 性质也有差异 ，因此存 在着两种甚至多种产生 机制 的可能性。更完善 的、科学 的球状 闪电的产 生和稳 定机制理论 ，还有 待于 进一 步的实 验和理 论研究 。 最可靠的方法是用实验模拟多种可能产生球状闪电 的条件 ，探索球 闪产生 的机理和方法。 四、对提高等离子体 寿命的新设想 如果以上的假说成立 ，我们就可 以根据球 闪机 理，探索一种对高温等离子约束的新方法：这就是用 强放电电流制造和约束等离子体的方法。这要求有 超强的瞬间电流，放电正负电极间的距离足够大(如 图 7)，接通 开关高压 电源会 引起 主反应放 电，断开 开关由电感线圈产生的瞬间感应高电压放电，通过 反应物出入 阀和热交换通道调解 主反应室的条件 ， 反应物可以是空气或氢气。如果这种方法能够实 现，将能够大大提高高温等离子体的约束时间，从而 推进可控核聚变反应的研究。 反应物出入阀 图7 球状闪电发生装置设计图 维普资讯 http://www.cqvip.com