探秘宙斯之杖――球状闪电之谜

　　图5 球状闪电形态(再现图)

　　微波空泡和闪电的微波辐射源

　　回顾2014年中国科学家对球闪的观测，可以发现球闪光谱同时包含空气分子和土壤的谱线。假如球闪是由电离的空气组成，该等离子体贴在地面上，等离子体中的电子激发土壤元素使它们发光。球闪的球体结构非常类似于在强激光领域观测到的一个有趣现象：一束强激光在等离子体中传输过程中，一小部分能量会被约束在等离子体中，自然演化成个球状的等离子体空腔，空腔内部的电磁波是一个半周期的电磁驻波。这些激光等离子体空泡只有微米尺度量级。那么，对于一个波长为30 cm的微波, 形成的空泡就跟球闪相仿。为此，中国科学家提出了基于等离子体微波空泡机理的球闪理论模型，该理论论文发表于新近一期的Scientific Reports上（详见H.-C. Wu, Relativistic-microwave theory of ball lightning,Scientific Reports 6, 28263 (2016)）。

　　实际上，卡皮查在1955年就提出了微波导致球闪的建议(洛奇在1892年也提出过类似的建议)，他认为在一个共振腔里微波形成了稳定的驻波，波节部位击穿空气形成了等离子体火球。但是他并没有说明微波怎么产生，而且实际中也不存在这样一个共振腔。由于卡皮查的地位，他的提议引起了很多人对球闪的兴趣。日本科学家做了金属波导内微波产生火球的实验，演示了火球穿过瓷板的特性。有人在1969年同样提出了球状等离子体空腔内约束微波的球闪猜测。

　　等离子体是一个电荷系统，对电磁波非常敏感。倘若闪电的微波辐射也能形成微波空泡，那么首先必须找到闪电的微波辐射源，并且模拟证实其能自然演化为一个球状等离子体空腔。从闪电通道弯弯曲曲的图片可以猜测在闪电拐点处由于电流的剧烈转向可能辐射出了微波。可是拐点处对应闪电先导停顿的位置。继续疯狂猜测下去——云地之间电压超过百兆伏特，电子加速应该可以到差不多百兆伏特的量级，这样就可以轻易产生微波！可是记载道闪电就是一个巨大的火花，是一个低温等离子体，温度只有几个电子伏特(1电子伏特约等于一万度, 相比常规物质温度很高, 但是相对于几十上百万度的等离子体则很低)。如何从微波空泡的假说得出球闪的等离子体模型，似乎遇到了困难。

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　　2014年一篇关于闪电物理的综述给了新的启示：云对地闪电可以产生x射线，为了解释这些x射线需要7 MeV的相对论电子，而且数目相当可观。的确如此！高能电子产生的过程是先导头部形成一个超强的电场，克服了空气的最大阻尼力，使得电子得以从几个电子伏特加速到相对论能量。因此， x射线观测打破了上百年来认为闪电只是一个纯粹低温等离子体的传统认识。对于相对论电子，一切都变得很简单。电子脉冲的自场在纵向上压缩，很类似于一个半周期电磁波。界面反射会形成渡越辐射，反射后的波快速演化为一个单周期的微波。（注：关于渡越辐射，金兹堡提出了第一个理论，之后除了加速器领域，应用最多的就是激光等离子体领域。）

　　

　　图6 球状闪电产生的等离子体机理（假想图）

　　球闪形成和新理论对其特性的解释

　　上面理论初步预言的是单周期微波，可是打入到激光等离子体空泡对应的等离子体条件，并不会形成微波空泡。这是因为等离子体是一个对外界电磁波非常敏感的电荷系统，初始条件不一样，结果就完全不同。在特定参数范围内，即使在单周期微波下也可以变成了一个空泡。球闪的形成机理也变得非常简单：被微波辐射压排开的电子回流会很快包围微波，形成一个微波空泡，就像打个洞钻进去。离子动作很慢，等电子空腔形成后，才会在电子牵引下慢慢跟进。当然，这个打洞现象需要微波功率达到一定相对论阈值才会发生。此外，在微波情况下还得考虑与中性空气分子的碰撞。加入了空气阻尼力影响进行数值模拟表明，空泡照样可以形成，而且空气最大阻尼力与相对论微波阈值相匹配。