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地球与生命

雷雨中的发光小球是怎么来的?

研究人员在青海观测雷电时,一次闪电过后,仪器拍到一团在移动的亮光。这类很少见、像球一样的亮光常被叫作「球状闪电」。亮光里藏着什么线索?

研究记录中八幅发光小球的图像,颜色和亮度随时间变化
2012 年观测记录的画面局部。比较左边刚出现的亮光和右边快消失的亮光,颜色和亮度有什么变化? 岑建勇、袁萍、薛思敏,论文图 2(裁切) · 图像出处

带着问题出发

这份案卷,哪里还没解开?

它究竟靠什么持续发光?不同地点被称为球状闪电的现象,会不会有不同的成因?

  1. 亮球靠什么维持发光?

    还缺的线索 光谱提供了参与发光的元素线索。还需要解释能量从哪里来、怎样持续,以及亮度和移动为何这样变化。

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  2. 不同的球状闪电会有同一种成因吗?

    还缺的线索 仪器完整拍到的记录很少。需要更多相互独立的观测,比较它们的光谱、持续时间和周围环境。

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沿着下面的图片和记录,看看我们已经走到了哪一步。

第一步

看看这些线索

想一想,每条线索能帮我们回答哪个问题?

  1. 这次亮光跟在落地闪电后面

    观察到了什么
    观测仪器先记录到一次云对地闪电,随后记录到附近一团持续约 1.6 秒的亮光。
    它能说明什么
    时间顺序让研究人员有理由检查两件事有没有关系。还可以比较亮光的位置、移动方向和光谱。
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  2. 把光拆开,就能多看一层

    把一束光分开后,在不同颜色的位置显示不同的亮条,亮条分布可供比较
    光谱读法示意。把每条亮线的位置记下来,再去跟已知物质的记录比一比。图中的亮条不代表这次观测的真实数值。 乐学堂示意图,依据美国物理学会的光谱说明绘制 · 图像出处 · 查看大图
    观察到了什么
    仪器记录到亮光中有对应硅、铁、钙的谱线。谱线可以想成某些成分在一排颜色里留下的亮记号。
    它能说明什么
    这些元素也常见于土壤,因而可以追问,闪电打到地面时,有没有把土壤里的物质带进发光区域。
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  3. 一段视频也需要核查

    观察到了什么
    其他研究团队分析可能拍到球状闪电的视频时,会检查相机、环境和亮点的形状等信息。
    它能说明什么
    亮点有时可能来自镜头或别的光源。保留多个角度和现场记录,能帮助判断它在哪里、怎样发光。
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把线索动起来看

留意画面里变了什么,也看看哪些地方还需要更多证据。

实拍短视频

慢放青海雷雨中的亮光

实拍画面把约 1.3 秒的记录慢放成约 11 秒。看左侧的小亮点和右侧被仪器分开的彩色光谱,比较它们在开头和结尾的亮度。无声。

岑建勇、袁萍、薛思敏,美国物理学会发布的慢放影像 · 素材出处

第二步

试着做判断

如果又收到一段只有小亮点的视频,哪条线索最能帮助检查它的成因?

点选一条,看看理由。

同一时间还有另一台仪器拍到现场,并留下光谱。
这个判断有依据

两份观测能互相核对。光谱还能提供视频里的颜色和形状之外的新线索。

有很多人转发了这段视频。
再看看线索

转发次数能告诉我们大家注意到了它。要研究成因,还得查看拍摄条件和现场记录。

给视频加一个闪电特效再看。
再看看线索

特效会改动画面。研究人员需要保留最早的记录,才能核对亮点是什么时候出现的。

第三步

写下调查结论

已经知道
这一次有仪器记录了亮光出现的时间、移动和光谱。
还在研究
它究竟靠什么持续发光?不同地点被称为球状闪电的现象,会不会有不同的成因?
下一步怎么查
比较多次带有时间、位置和光谱的记录,并在实验室检验闪电和土壤物质相互作用的猜想。
给家长和想多读一点的你

这次记录支持继续研究土壤参与的机制。要验证这一机制,需要让它预言新的可测现象,例如随时间变化的成分或亮度,并拿独立观测来比较。

线索从哪里来

资料核对日期 · 原文需联网

  1. 《物理评论快报》|球状闪电的光学和光谱观测
  2. 美国物理学会|球状闪电慢放影像与光谱
  3. 英国皇家气象学会期刊|疑似球状闪电视频证据评估