球状雷电是神奇的大气来客，自古以来就吸引着人们（无论是科学家，还是与科学毫不相干的人）的普遍注意。这是一种发着光而存在时间长且往往是球状的东西，它不会依附在某个物品上，而是自由地在空气中漂移。把球状雷电从其他大气现象中分开来的愿望使得在数世纪期间内收集了关于它的各种各样的资料，因此现在我们能够相当有把握地推断被观察到的球状雷电的参数，甚至能够定量地估计它的基本特性。

科学家为什么对球状雷电感兴趣呢？自然地会假定它的本质是由某些物理规律所支配着的。在仔细地研究球状雷电现象后的某个时候将会成功地确定：球状雷电的某些过程和结构，从一般的见解看来仿佛是难以相信的，甚至是子虚乌有的，但实际上完全是真实的。这同样地会揭示出我们周围世界独特的新规律，从而将充实研究它的科学。

在开始着手研究球状雷电课题时，紧接着会产生的一个问题是：为什么搞清球状雷电机理的道路显得如此漫长？要回答这样的问题，在目前——球状雷电的机理已开癌变得明朗化的时候也是不困难的。之所以这样漫长，不单是球状雷电极少地被观察到。主要原因在于球状雷电是一种很复杂的多边现象，该现象不是一个过程、而是一系列过程的结果，并且其中的每一个过程对于它的存在都具有决定性意义。部分过程仅在不久前才被研究。所以毫不奇怪的是，依据简单原理把球状雷电模式化的许多种设想都不能够成功，也即未能建立关于它的完整学说。本文试图给出关于球状雷电本质的简要看法并叙述这种奇特现象的研究现状。

我们知道和想知道什么

在最近20年内对观察球状雷电的结果成功地作了系统归类。现在我们至少拥有五套独立的观察数据，其中的每一套都能定量地描述球状雷电的基本性质。因为一个事件被定量估算后的精确性原则上取决于数据的选取和处理，而每一套数据都可能带来本身的误差，所以具备几套独立的数据是很重要的。

其中的一套数据是И. Л. 斯达汉诺夫（Стаxанов）整理了1000多位目击者的报导后汇总起来的。不错，这些报导基本上是从给《科学与生活》（《Наука и Жизнь》）杂志编辑部的信中引用的并且可能明显地失实，因为观察本身与它的描述有时中断了不少时间。ДЖ. 巴里（барри）分析了以球状雷电为主题的各种各样文章1800多篇。在这些文章中记录下比较清新的观察，但是文章的作者们从自己设想的观点来分析事件，这一点在许多文章内各个细节的描述上能够反映出来。在综合各套数据时将成功地削弱它们当中每一套的缺点，因而得以给出比较客观的球状雷电的特性。表1列出了球状雷电的参数值，它们是对各套数据为参数值取统计平均后得到的。

球状雷电能量的分析需要特别注意，原因在于球状雷电多半在没有可供决定其能量的后果时就消失掉。下面我们将集中注意它的基本特点：球状雷电中能量的储藏方法；在它内部热量放出的特点；它的形状和结构；球状雷电的电现象以及它的发光机理，同时针对每一个问题把已积累起来的科学信息与观察结果相比较。

能量储藏方法

假定球状雷电的外部热源不存在时，必然得出结论：在它里面能量储藏的唯一方法只能是化学的。如果对球状雷电模型在已知速率的不同过程中计算出热量，并把球状雷电的内能转变为这些热量所需要的时间与它被观察到的存在时间相比较一下，这一结论就变得可理解了。我们将在等离子体模型中表明这一点。在等离子体模型中认为球状雷电的能量储存在荷电粒子当中并且在它们复合时放出，在复合时每一离子对放出粒子电离势量级的能量J。复合过程的几率由复合系数α表征，而荷电粒子的数密度N随着时间t的经过按N ~ 1/αt规律改变着，把这个量代入储存在单位体积等离子体的能量表达式中，将得到等离子体模型中球状雷电的能量密度ε与它的存在时间之积仅由等离子体本身的性质所决定：ετ ~ J/α。

被分离出来的化学上活泼的空气成分是臭氧。在空气被激发情况下，臭氧比较有效地产生并且浓度比较大，而在不很高的温度下，它比其他活性物质解体得较缓慢。所以可以认为，臭氧正是球状雷电的组分之一。

球状雷电的化学变化极可能在气体的不均匀相里进行，换而言之，是在气体（臭氧）分子与固体表面相互作用的情况下进行。既然臭氧分子在空气中很缓慢地移动着，那么最可信的是从反应的最初时刻起臭氧和固体就并存于空间中。例如，为此，固体应当具有多孔结构，而臭氧则被吸附在孔隙的内表面上。

球状雷电的能量密度相当大，因此在化学变化时热量剧烈地释放出来，由于剧烈放热的结果，球状雷电活性物质的温度能够大大地升高，与此同时，正像已指出的那样，这个过程在分子量级的时间规模里是很缓慢的。

显然，这个结论与我们所采用的球状雷电的参数值不搭界，而是与反应经历时间、温度之间急剧的函数关系相关联的，而这急剧的函数关系同样地由分子量级的时间τ₀与反应经历时间τ之间很大的差别为条件的。由此产生一个重要的问题：伴随着剧烈放热而又缓慢的化学反应一般地说可能吗？在H. B. 库尔恰托夫（Курчатов）原子能研究所和苏联科学院西伯利亚分院热物理研究所内进行的多年研究可以对这个问题作出满意的回答。木炭的粉末在它所吸收的臭氧里的燃烧就是一个剧烈放热而缓慢的反应例子。可以用下列方式描述这个多级反应：

这里X、Y和Z——反应的中间产物，而箭头上的符号表示相应阶段的时间。

结构

球状雷电的形状一般是球形的，像它的大小一样，在观察时保持不变。但是在化学反应中放出的热量导致气流出现，该气流将变更被气体或微尘形式的活性物质所占据的位置。譬如说，如果活性物质区在空气里初始的线度是10厘米，那么正像估算得出的那样，在球状雷电的特征条件下，在零点几秒时间内这活性物质区就被完全冲换掉。因此，球状雷电的活性物质既不可能是浮尘形式，也不可能是气体形式。

列宁格勒的科学家，假设了球状雷电的活性物质具有线团状的微尘凝聚体形式，从而得到了关于球状雷电结构的正确解答。这样一种结构不会被空气的对流所破坏。由凝聚体的电荷所产生的表面张力不允许它“迅速消散”并使它具有接近球体的形状。

正像金属蒸汽的冷凝分析表明那样，在冷凝的中间阶段形成固体金属微粒，结果是不产生线束型的结构，而是一种独特的“多枝”状结构——分位的（Фрактальный）离子团，这是由固体微粒本身之间连接起来的一种多孔系统。

分位离子团并不那样罕见。例如空气中的烟雾微粒或其他固体悬浮微尘在缔合时，在胶体溶液中的凝聚时，高度分散的悬浮体在过滤时等等场合里都会产生分位离子团。类似的结构在电介质击穿时，在聚合时，以及在某些流体的和生物物理的现象中也会观察到。

假若各种微粒形成的这种系统由同一半径的球面包围起来，那么在这些球面内的微粒数目将是大致相同的。在这些球面半径r增大时其中的粒子平均数密度Q按幂指数规律下降：Q(r) ~ r^-β。在离子团内部的粒子平均数密度随着离开它的质心向外也按同样规律变化。分位离子团最重要的指标是它的分位因次D=d－β（d是形成离子团处的空间因次）。D决定离子团的（平均半径）R的大小与其中的粒子数n之间的关系：n ~ R^D，或者R ~ n^1,D，并且也确定离子团的质量m与组成它的、具有平均线度α的固体微粒质量m₀之间的关系：m ~ m₀(R/α)^D。正像看到的那样，分位离子团中物质的密度取决于它的大小。分位因次由离子团形成的方法所确定。

分位离子团是能够同时保障球状雷电“骨架”的轻便性和刚性的唯一结构。从这样的结构中得出一系列推论，推论之一就是球状雷电由于放热而产生升力。在球状雷电周围的空气受热后引起向上的对流运动（类似于烟囱上的烟雾），正是这对流运动产生升力。

电现象

观察结果证实球状雷电带有电荷并且是为数不少的电荷。确实，球状雷电常常被金属物品所吸引，与电气装置相互影响，有时引起类似于电击穿的现象。球状雷电对人的生理作用与人遭受电流击伤的情况相类似。从这些事实可以作出结论：球状雷电具有足够高的电位势。它是从哪里得到的呢？球状雷电活性物质所形成的分位离子团的本质也能回答这个问题。

正像已指出的那样，组成球状雷电的“骨架”的分位离子团是固体悬浮微粒或微尘的缔合而形成的。这些微粒在空气里带着负电荷，因为负离子在空气里的移动性比正离子的大些（由于同一原因云层中的小水滴带着负电荷；在向下落时，许多小水滴就产生云层的电位势）。所以整个分位离子团也是带负电荷的，在分位离子团形成后电荷就聚集在它的“树枝”末端，以提供表面张力，因而也保障离子团的稳定性。电荷沿着离子团“展布”的时间应该比形成离子团的时间长得多，否则周围附近强大的电场将阻止后续微粒的缔合。

为了得到电荷积聚过程的定量估计，我们将看一个具体的例子。设分位离子团由半径为1微米的固体微粒汇聚而成。空气中这种固体微粒的平均电荷等于6e（e是一个电子的电荷），并且在两颗这样的微粒接触时库仑推斥能没有超过它们的热运动能量，也即电的相互作用还不会阻止它们的缔合。分位离子团所包含的固体微粒越多，或者说它的分位因次越高，它的总电荷就越大。例如，如果D=2.31，则半径为10厘米的分位离子团的表面张力与水在室温下的表面张力（0.073焦耳/米²）相等，这样一个离子团的电荷量是10³厘米 · 克 · 秒制静电单位，或者说是3.3×10^-7库仑，而它的电位势是30千伏。

总之，在分位离子团中，电荷、物质的质量和能量能够集中在比较小的体积里。譬如说，如果认为被研究的分位离子团的活性物质是遵循反应式（1）燃烧的木炭，那么将得到离子团的质量值是0.9克（处在离子团内部的空气质量是5.4克），而能量即为25千焦耳、这恰好在观察值的范围内。

可以设想荷电离子团——球状雷电的骨架形成的下述原理。当等离子体正处于外电场当中并因此而具有多余的某种电荷时，悬浮微尘漂了进来，等离子体的离子就向这些微粒凝聚，因而多余的电荷就固定在这些微粒上。进而微粒缔合为离子团，同时，正像估算所表明那样，微粒上存在的电荷微弱地影响缔合过程。随着离子团的形成，多余的电荷迁移向它的表面，从而依靠表面张力而保障离子团的稳定性。已形成的离子团由于周围气氛中等离子体的离子流而放电，放电的同时伴有表面张力的减小，因而也就导致离子团的消失。

我们要指出空气中电荷的迁移特点。假如电场强度低于3兆伏/米，那么空气中的负电荷基本上为负离子所束缚。在更高的电场强度场合，当负离子与空气分子相碰撞时，它的能量足以从空气分子中激发出电子，这样一来，在所研究的例子里电子出现在分位离子团“树枝”末端附近不大的区域内。电子可能激发空气分子或杂质原子，从而引起发光。但是估算表明这种发光相当微弱。事实上分位离子团的总电能等于q²/R≈0.01焦耳。这能量的0.3%左右传递给电子。即使在电子的能量有效地转变为辐射能的情况下，这样的发光强度将不会超过夜间昆虫的发光强度也即只有被观察到的球状雷电发光强度的好多分之一（在И.П.Стаханов的书中引用了697位目击者的证据，他们比较了球状雷电和电灯泡的发光强度。如果把他们的数据取平均值，那么就得出：球状雷电就像一个功率为110±50瓦特的灯泡在发光。这相当于量级为10⁴流明 · 秒的全部光线或者是相当于在人眼最佳的光谱范围内量级为20焦耳的辐射能）。所以，不考虑化学能时解释球状雷电的发光同样是不能成功的。

辐射

总之，从观察结果的分析中得到球状雷电的发光相当于功率为100瓦特左右电灯泡的发光。这相应于1400流明的光通量。

现在我们看一下球状雷电的热辐射。假若组成球状雷电骨架的微粒线度与波长相比是小一些的话，那么在光谱红外区的辐射对总辐射的贡献就小于比较大、的微粒场合。但这在原则上不改变总的状况。金属蒸汽在冷却时，首先形成小液滴，这些小液滴在蒸汽中长大，凝固并缔合为分位离于团；看得电，这时在金属蒸汽里产生的球状雷电的发光方式之一可以用热辐射解释。为了计算出这样的金属离子团由于辐射而冷却的时间，人们用一团具有不同半径的金属线来代替它。

但是这种机理不适用于描述被观察到的大多数场合下球状雷电本身的发光。正在辐射着的活性物质的原子或分子被空气分子所猝灭（消除激发）是在空气中辐射的一个重要特点。例如，在1大气压和2000 K的温度情况下，被激发而发出黄色火焰的钠原子在空气中发射光子只有约2%的概率。首先，这就意味着，被激发的原子或分子与空气处在热力学平衡态当中，也即它们的局部数密度与激发方式无关，而仅由空气的局部温度和该种物质原子或分子的总数密度所决定，其次，在被研究的场合里，只有某些种类的原子或分子才能建立光辐射，这些原子或分子激发态的特征是跃迁回基态的辐射几率很高，在跃迁回基态时发射出波长与某种颜色相应的光子。

球状雷电的发光与带有添加剂的火焰发光相类似，或者说与含有燃烧、氧化剂和粘结填充剂的焰火材料的发光相类似。例如，在燃烧下面的混合剂时：KNO₃—37%、Na₂C₂O₄—30%、M₀—30%、树脂—3%，得到焰火制造技术中的黄色火焰。这种混合剂的燃烧值为6千焦耳/克，最高的燃烧温度为2500-3000 K，而发光效率为8流明/瓦特，也就是说比在球状雷电里的发光效率高得多。这种混合剂燃烧时的发光是由钠原子从一种状态向另一状态的跃迁辐射所引事的并且比球状雷电的发光效率高得多。譬如说，为了获得与中等球状雷电同样的发光只要0.3克这样的混合剂就足够了，为了获得与中等球状雷电相同的能量，也不过是3克。假若在这种混合剂中钠的含量减少到百分之—左右，那么它的发光效率就与球状雷电的一样。

可见，球状雷电的发光是由温度不低于2000 K的炽热部位形成的，这些部位是在活性物质参与下的化学反应中产生的，而这些活性物质要么包含在球状雷电骨架的部分中，要么填充在骨架的气隙中。为保证球状雷电的光通量，化学反应必须同时在许多（10³ ~ 10⁵）个微小区域内发生。大量这样的发光点（小区域）被观察者感受为一个发光球。

究竟为什么球状雷电如此罕见地被遇上？假若考虑到它的形成需要一系列因素结合起来，现在对这个问题也不难回答了。首先，由于雷击、电击穿或其他电现象的结果在等离子体和固体界面上应该发生固体的局部汽化。等离子体的离子凝聚在被汽化物质的悬浮微粒表面上的同时，就把本身的一部分电荷传递给微粒。但是为此目的要求等离子体的电荷在空间范围内至少是局部地分离开来。其次，荷电固体微粒比较平静而持久地缔合为分位离子团。这种多孔的离子团系统从周围的空气当中吸收球状雷电的活性物质，并且这种活性物质集氧化剂和燃料于一体。即使不知道球状雷电活性物质具体的化学成分，从产生球状雷电所必需的一连串过程中可以作出这种现象是很稀少的结论。

但是在自然界和技术当中存在着球状雷电独特的类似物，它们在某种性能方面与球状雷电很相似。正像已经指明的那样，按照化学能转变为具有确定颜色的光辐射的方式而言，焰火的发光混合剂就充当这样的类似物，而按结构方面，所谓的气凝胶就起这样的类似物作用。这种多孔的气凝胶具有非常低的密度（小于10^-2克/厘米³）和很高的热稳定性（它们在离于1300 K的温度下被分解），实质上由离子团组成，而离子团又由线度为几毫微米的微粒形成的。50多年前人们就得到了气凝胶，但是由于它们的成本很高，即使现在亦仅应用于记录高能荷电粒子的切连科夫（Черенков）探测器中以及宇宙射线的研究中。

今后进一步研究球状雷电的主要问题之一是确定其组分的化学成分。主要的困难在于，球状雷电内的化学反应应当是多级的并且其特征是反馈。可是现代的物理化学还几乎没有这一类反应的例子，譬如说，已提到过的、兼有氧化剂和燃料性能、以及具有一系列其他优点的臭氧不可能是球状雷电活性物质的唯一组分，因臭氧是按简单的方式解体。不错，活性物质中可能包含有臭氧，或者它可能起独特的“雷管”作用。

最后我们强调一下，现在我们对球状雷电本质的一些原则性问题都有了答案。实质性的观点建立在观察资料的分析、把观察资料与积累起来的物理知识相比较、以及对球状雷电各个侧面的模拟试验基础上。我们知道：球状雷电具有轻而刚性的骨架，该骨架是由微小线度的固体粒子组成的分位离子团构成的，而球状雷电的能量是化学生成熟。包含燃料和氧化剂的球状雷电的活性物质；或者进入骨架成分中，或者填充于骨架的空隙中。由于活性物质中的化学反应是强烈而缓慢的过程，因而在活性物质中产生具有2000 ~ 3000 K温度的炽热区，这些炽热区形成球状雷电的发光。在一定的规范时这样的小区域很多，并且化学反应同时沿着大量的、被填满活性物质的渠道传播着。球状雷电里释放出来的热量引起空气通过它的对流，这将导致升力的出现并保障热交换。

总之，现在球状雷电的基本特点和机理已经清楚，但是它成分的化学式以及产生它的那些条件的精确特性还不知道，我们正处在研究球状雷电的中向阶段。当然，所有这些问题还需要对具体情况的具体系统进行仔细的分析，但是我认为，为解决这些问题以及建立球状雷电试验模型的基础是足够牢靠的。以解释现象的本质为宗旨的实验研究在我们面前不仅应当揭示出自然界里已实现的球状雷电的原理，而且还应当打开球状雷电可能的应用途径。

[Лрuрозα、1987年第2期]