科普知識|奇異多采的等離子體現(xiàn)象

在地球上我們通過人工的辦法可以產(chǎn)生一些電高度不高的“低溫”等離子體。在大氣層中也存在一些奇異多采的等離子體現(xiàn)象，其中像球狀閃電、極光等奇特景象。

　　瑰麗的極光

　　極光是大自然的一種美麗的奇景。它似五顏六色的光流，又似一條發(fā)光的銀河。有時它像紅色的絨幕飄忽于藍天，有時又像發(fā)光的蛇一樣游動于高空；有時像熊熊大火照亮了天際，有時又像幾根巨大的光柱懇在空中。色彩絢麗，姿態(tài)萬千，使人如臨仙境。這種奇景只有在靠近南北兩極的天空中出現(xiàn)，因而稱為極光。著名的北極旅行家烏沙柯夫在描述他在北極旅行時所看到的極光情形時這樣寫道：“要計算我們看到了多少次極光是不明確的。通常在同一天內(nèi)，甚至在問—瞬間，天空中突然迸發(fā)出許多個形狀不同，顏色不同，高度不同的極光……發(fā)出奇異光久的極光在天空迸發(fā)著，非常引人注目?！?/p>

　　然而對于這種仙境，除了旅行家之外，能經(jīng)常觀賞的人是不多的。我們把一年內(nèi)能看到極光的平均次數(shù)相等的地方用一條線連起來，稱它為極光等頻線，北半球等頻線的最大值為243，這條線通過美國阿拉斯加北部，加拿大北部、挪威北部、冰島南部，新地島南部等地。經(jīng)過列寧格勒的極光等頻線值為5，即一年中有五次看到極光的機會。經(jīng)過我國黑龍江省北部的極光等頻線值為l，而黑龍江南部，吉林北部、新疆等地十多年中才有一次機會看到極光。我國的中部和南部地區(qū)幾乎沒有機會看到。不過也有例外。1872年2月14日出現(xiàn)的一次核光，緯度只有三十多度的我國湖北光化縣都觀察到了，并作了詳細記載。更為稀罕的是，1909年1月25日出現(xiàn)的極光甚至連赤道附近的人都看到了。

　　那么極光這種雄偉壯麗的自然現(xiàn)象是怎樣形成的呢?盡管自古以來人們就注意到這種現(xiàn)象，然而并不能解釋它。信仰宗教的人認為極光這種“天象”是某種災(zāi)難的預(yù)兆。

　　最早對極光給予科學(xué)解釋的是羅蒙諾索夫。他在1753年《談?wù)動捎陔娏Χa(chǎn)生的空氣現(xiàn)象》一文中指出，極光是由于電的作用而產(chǎn)生的?，F(xiàn)代的科學(xué)理論認為，極光的形成跟太陽活動、地球磁場以及高空大氣都有密切關(guān)系。太陽內(nèi)部由于極高的溫度和極大的壓力，不斷進行聚變核反應(yīng)，釋放出大量的輻射能，同時還不斷地放射出大量的帶電粒子涌向茫茫宇宙空間。這些帶電粒子以每秒400一700公里的速度飛進地球大氣層時跟氣體分子或原子碰撞，使氣體激發(fā)和電離，形成稀薄的等離子體，并放出光輝。那么，為什么只能在地球兩極附近看到呢？這是因為地球本身是一塊巨大的磁體，它的磁力線出現(xiàn)于地球兩極附近。由于地磁場的影響，從太陽上飛來的帶電粒子不能直線運動，只能繞著磁力線打轉(zhuǎn)，沿著彎曲的磁力線螺旋式地運動到地球南北兩極附近的高空。極光一般出現(xiàn)在離地面100一400公里的高空。當然也有例外。1932年8月9日在挪威看見了一次圓弧狀亮而紅的極光，離地面只有60公里。個別場合偶爾也能看到1000公里以上出現(xiàn)的亮而清晰的紫色極光。

　　壯觀的閃電

　　夏日炎炎，驕陽似火，空氣又悶又熱。剎時間烏云密布，狂風四起，電光閃閃，雷聲隆隆，滂沱大雨傾盆而下?！　?

　　關(guān)于雷電的成因早在二百年前就有人探索過。有人在雷雨時把風箏放到天空，從風箏上引下一很很細的銅絲。當風箏鉆入云里之后不久，在銅絲末端就出現(xiàn)了電火花。說明閃電是大氣中的一種放電現(xiàn)象。閃電的物理過程是這樣的：在云的不同部位聚集了兩種極性不同的電荷，在云的內(nèi)部和云與地面之間形成了很強的電場，可達每厘米幾千伏甚至一萬伏。如此強的電場足以使云內(nèi)外的大氣發(fā)生擊穿電離。形成一條狹窄的放電通道。通道內(nèi)電流高達幾萬甚至幾十萬安培，溫度高達二萬度以上，空氣被電離形成等離子體，并發(fā)出耀眼的亮光，這就是閃電。最常見的閃電形式是線狀閃電，其形狀猶如倒懸空中的縱橫樹枝，又像是地圖上一條支流茂密的河流。

　　另有一種奇異的閃電形式就是球狀閃電，它一班出現(xiàn)在強雷雨的惡劣天氣里。線狀閃電后天空突然出現(xiàn)一個火球，大的直徑有幾米，小的只有二三十厘米。火球有時呈粉紅色，有時發(fā)出白光。有時在空中上下游蕩，有時隨風慢慢飄動。有時球狀閃電落到物體上噴射出火花，燒毀物體。碰到人畜，將其表皮灼傷，甚至造成死亡。更為有理的是，球狀閃電有個怪脾氣，它“喜歡”鉆洞，往往從煙囪、窗戶、門縫進入屋內(nèi)，在屋里轉(zhuǎn)一圈又溜出去了。這種球狀閃電雖然極為罕見，可是很早以前就有入對它作了仔細的觀察并作了詳細記載。北宋時期的科學(xué)家沈括在《夢溪筆談》中曾記載了一次球狀閃電的詳情；“內(nèi)侍李舜舉家曾為雷暴所震。其堂之西室，雷火自窗間出，赫然出檐。人以為堂屋已焚，皆出避之。及雷止，其舍宛然，墻壁窗紙皆黔。有一木格，其中雜貯諸器，其漆器銀扣者，銀悉焙流在地，涪器曾不焦灼。有一寶刀，極堅鋼，就刀室中用為汁，而亦儼然”。

　　1962年7月22日傍晚，泰山玉皇頂上也曾發(fā)生過一次球狀閃電。據(jù)目擊者記載，那天傍晚，電閃雷鳴，突然有一個直徑約15厘米的殷紅色火球，從窗縫潛入室內(nèi)，窗戶的木條均被撕裂?；鹎蛞悦棵攵?、三米的速度在室內(nèi)輕盈地游蕩。從床單上面碾過，留下一道熔焦的痕跡。大約3—4秒鐘之后，又從煙囪中迸出。即將離開煙囪之際，發(fā)出一聲爆炸聲，火球隨即消失。煙囪被炸掉—角，室內(nèi)暖水瓶膽亦被震為碎片。

　　絢麗多彩的霓虹燈

　　當夜幕降臨的時候，人們就會被街頭絢麗多彩的霓虹燈所吸引。你看，在高樓大廈的上面，在大商店的櫥窗里，在影劇院、音樂廳的前面，一幅幅精心設(shè)計的霓虹燈圖案發(fā)出鮮艷的奇光異彩，時隱時現(xiàn)，時斷時續(xù)，交相輝映，產(chǎn)生迷人的效果。霓虹燈為什么會發(fā)出如此絢麗的光彩，它跟普通的電燈有什么區(qū)別呢?

　　其實，霓虹燈就是運用人工方法產(chǎn)生低溫等離子體的最簡單儀器。將玻璃管彎成一定形狀，抽掉管內(nèi)的空氣，再充入少量的特殊氣體，然后在玻璃管兩端封上電極，接上一萬伏左右的電壓(電流極小)。管內(nèi)氣體在很強的電場下產(chǎn)生電離，形成等離子體，當然電離度也只有0.01％左右；在這過程中發(fā)出光來。這個過程叫輝光放電。不同的氣體發(fā)出不同顏色的光。根據(jù)圖案設(shè)計的要求，在管內(nèi)充入不同氣體。如果需要鮮艷的紅色，那就充入氖氣；需要悅目的綠色，就充入水銀蒸汽；需要迷人的紫色，就充入氬氣；需要艷麗的黃色，就充入火氦氣；如果充入氫氣，那么就會發(fā)出暗紅色光。經(jīng)過設(shè)計師的精心構(gòu)思，巧妙安排，就能組合成一幅幅美妙別致的圖案。然后再制作一個特殊的控制線路，那么具有不同形狀充入不同氣體的玻璃管就會按照預(yù)定程序分別產(chǎn)生輝光放電，發(fā)出各種顏色，形成一幅美麗的圖案，加上開關(guān)的自動控制作用，更增加了光怪陸離的迷人效果。