Dampfbasiertes Kugelblitzmodell
(Juli 2026)
Abstract
The reason for the shape of ball lightning is a phenomenon similar to surface tension
There are no combustible materials in ball lightning in the classical sense (such as coal, metal powder, sulfur or gases), and no combustion in the traditional sense occurs in the balls. According to the physical model (https://bencsik.rs3.hu/component/content/category/1051-para-alapu-goembvillam-modell.html?), there are no combustible materials in ball lightning, and no combustion in the traditional sense occurs. Free radicals are responsible for maintaining the process and heating the ball internally. Inside the ball, there are large amounts of hydroxyl (-OH) and perhydroxyl (-O₂H) free radicals, which are created by invisible electrical pre-flashes (streamers) that occur during a thunderstorm by breaking down the water vapor in the air. When these reactive free radicals recombine within the ball or react with other gases in the air, a large amount of heat and light is continuously released.
According to the model, the shape of ball lightning is not held together by the surface tension seen in classical liquids, but by a phenomenon similar to a strongly coupled Yukawa dust plasma, resulting in the spherical shape. The micrometer-sized water vapor droplets produced during lightning (the "dust grains" of the dust plasma) capture free electrons, which causes them to acquire a large negative electric charge. Although the negatively charged droplets would repel each other, the surrounding positive plasma ions screen out the repulsive effect, which is a short-range interaction, the Yukawa potential. The plasma behaves like a dense liquid because the electrostatic energy between the particles is much greater than their thermal motion; the dust plasma does not expand like a gas, but behaves like a dense liquid. Inside the sphere, the droplets are subjected to equal forces from all directions, while those at the very edge of the dust cloud (at the boundary) are subjected to an asymmetric, inward force, and the asymmetry creates a surface tension similar to that of liquids.
The internal cohesive force and viscosity completely suppress the Rayleigh–Plateau instability, which causes a thin jet of water to break up into droplets; but surface tension in ball lightning prevents this breakup and transforms the plasma channel into a single, stable, macroscopic sphere.
The internal cohesive force and viscosity completely suppress the Rayleigh–Plateau instability, which causes a thin jet of water to break up into droplets; but surface tension in ball lightning prevents this breakup and transforms the plasma channel into a single, stable, macroscopic sphere.
The particulate material is water vapor. An average ball lightning requires about 5–28 grams of microparticle water vapor to form and float. The vapor forms a Yukawa dust plasma, the internal surface tension of which holds the sphere together, while the radicals continuously "heat" and keep the sphere glowing between ~1000–2000 Kelvin. When the internal chemical fuel, the radicals, are used up, the ball lightning either dies quietly, or the remaining materials react explosively with the external oxygen, resulting in a pop.
According to the model, the ball lightning levitates by neutral buoyancy (hydrostatic equilibrium), which is based on the balance of the mass of hot gases and heavier water vapor. An average hot gas ball would rise according to the laws of physics. The ball lightning is able to float stably because the density of the materials inside it is the same as the density of the external, cold air. The hot air and plasma inside the ball at ~1000 Kelvin are rare and light. For example, in the case of a ball with a diameter of 40 cm, the mass of the displaced external cold air is 40.2 grams, while that of the internal hot gases is only 11.7 grams, the difference of which would propel the ball upwards. The buoyant force is balanced by the total mass of microparticle water vapor and hydroxyl radicals in the plasma (in the above example, this is exactly the difference between the two, i.e. 28.5 grams). If the ball lightning were to start to cool, its internal density would increase and it would start to sink. At this time, however, the particles of the Yukawa dust plasma would come closer to each other, which increases the internal chemical reaction rate. Due to the increasing internal heating, the ball warms up again and expands, which stabilizes the hovering height. If the mass of vapor in the ball is less than this critical balance, the ball lightning would rise, if more, it would sink: it tries to maintain and preserve the height of its origin.
Zusammenfassung
Kugelblitze enthalten keine brennbaren Materialien im klassischen Sinne (wie Kohle, Metallpulver, Schwefel oder Gase), und es findet keine Verbrennung im herkömmlichen Sinne statt. Laut dem physikalischen Modell (https://bencsik.rs3.hu/
component/content/category/1051-para-alapu-goembvillam-modell.html?) sind in Kugelblitzen keine brennbaren Materialien vorhanden, und es findet keine Verbrennung im herkömmlichen Sinne statt. Freie Radikale sind für den Erhalt des Prozesses und die innere Erhitzung der Kugel verantwortlich. Im Inneren der Kugel befinden sich große Mengen an Hydroxyl- (-OH) und Perhydroxyl-Radikalen (-O₂H), die durch unsichtbare elektrische Vorblitze (Streamer) während eines Gewitters entstehen, indem sie den Wasserdampf in der Luft spalten. Wenn sich diese reaktiven freien Radikale innerhalb der Kugel rekombinieren oder mit anderen Gasen in der Luft reagieren, wird kontinuierlich eine große Menge an Wärme und Licht freigesetzt.
component/content/category/1051-para-alapu-goembvillam-modell.html?) sind in Kugelblitzen keine brennbaren Materialien vorhanden, und es findet keine Verbrennung im herkömmlichen Sinne statt. Freie Radikale sind für den Erhalt des Prozesses und die innere Erhitzung der Kugel verantwortlich. Im Inneren der Kugel befinden sich große Mengen an Hydroxyl- (-OH) und Perhydroxyl-Radikalen (-O₂H), die durch unsichtbare elektrische Vorblitze (Streamer) während eines Gewitters entstehen, indem sie den Wasserdampf in der Luft spalten. Wenn sich diese reaktiven freien Radikale innerhalb der Kugel rekombinieren oder mit anderen Gasen in der Luft reagieren, wird kontinuierlich eine große Menge an Wärme und Licht freigesetzt.
Dem Modell zufolge wird die Kugelform nicht durch die Oberflächenspannung klassischer Flüssigkeiten, sondern durch ein Phänomen ähnlich einem stark gekoppelten Yukawa-Staubplasma zusammengehalten, was zur Kugelform führt. Die während des Blitzes entstehenden mikrometergroßen Wasserdampftröpfchen (die „Staubkörner“ des Staubplasmas) fangen freie Elektronen ein, wodurch sie eine große negative elektrische Ladung erhalten. Obwohl sich die negativ geladenen Tröpfchen gegenseitig abstoßen würden, schirmen die umgebenden positiven Plasmaionen diese Abstoßungswirkung ab. Diese kurzreichweitige Wechselwirkung ist das Yukawa-Potential. Das Plasma verhält sich wie eine dichte Flüssigkeit, da die elektrostatische Energie zwischen den Partikeln viel größer ist als ihre thermische Bewegung; das Staubplasma dehnt sich nicht wie ein Gas aus, sondern verhält sich wie eine dichte Flüssigkeit. Im Inneren der Kugel wirken auf die Tröpfchen gleich große Kräfte aus allen Richtungen, während diejenigen am äußersten Rand der Staubwolke (an der Grenze) einer asymmetrischen, nach innen gerichteten Kraft ausgesetzt sind. Diese Asymmetrie erzeugt eine Oberflächenspannung, die der von Flüssigkeiten ähnelt.
Die innere Kohäsionskraft und Viskosität unterdrücken vollständig die Rayleigh-Plateau-Instabilität, die einen dünnen Wasserstrahl in Tröpfchen zerfallen lässt. Die Oberflächenspannung im Kugelblitz verhindert diesen Zerfall und formt den Plasmakanal zu einer einzigen, stabilen, makroskopischen Kugel.
Das Partikelmaterial besteht aus Wasserdampf. Ein durchschnittlicher Kugelblitz benötigt etwa 5–28 Gramm mikropartikulären Wasserdampf, um sich zu bilden und zu schweben. Der Dampf bildet ein Yukawa-Staubplasma, dessen innere Oberflächenspannung die Kugel zusammenhält, während die Radikale die Kugel kontinuierlich „erhitzen“ und sie bei etwa 1000–2000 Kelvin glühen lassen. Sind die Radikale als innerer chemischer Brennstoff verbraucht, erlischt der Kugelblitz entweder still oder die verbleibenden Materialien reagieren explosiv mit dem umgebenden Sauerstoff, was einen Knall verursacht.
Dem Modell zufolge schwebt der Kugelblitz durch neutralen Auftrieb (hydrostatisches Gleichgewicht), der auf dem Massengleichgewicht zwischen heißen Gasen und schwererem Wasserdampf beruht. Eine durchschnittliche Kugel aus heißem Gas würde gemäß den Gesetzen der Physik aufsteigen. Der Kugelblitz schwebt stabil, weil die Dichte der in ihm enthaltenen Materialien der Dichte der umgebenden kalten Luft entspricht. Die heiße Luft und das Plasma im Inneren der Kugel sind bei etwa 1000 Kelvin dünn und leicht. Beispielsweise beträgt die Masse der verdrängten kalten Außenluft bei einer Kugel mit 40 cm Durchmesser 40,2 Gramm, während die Masse der heißen Gase im Inneren nur 11,7 Gramm beträgt. Diese Differenz treibt die Kugel nach oben. Die Auftriebskraft wird durch die Gesamtmasse des im Plasma enthaltenen Wasserdampfs und der Hydroxylradikale ausgeglichen (im obigen Beispiel entspricht dies genau der Differenz zwischen den beiden, also 28,5 Gramm). Würde der Kugelblitz abkühlen, würde seine innere Dichte zunehmen und er würde sinken. Gleichzeitig würden sich die Partikel des Yukawa-Staubplasmas jedoch einander annähern, was die Geschwindigkeit der internen chemischen Reaktionen erhöht. Durch die zunehmende innere Erwärmung erwärmt sich die Kugel erneut und dehnt sich aus, wodurch sich die Schwebehöhe stabilisiert. Ist die Dampfmasse in der Kugel geringer als dieser kritische Wert, steigt der Kugelblitz auf; ist sie größer, sinkt er ab.
Schlüsselwörter: Kugelblitz, Yukawa-Plasma, Oberflächenspannung, Hydroxylradikale, Streamerentladung
Einleitung
Das in der Literatur am weitesten verbreitete Modell ist das John-Abrahamson-James-Dinniss-Modell (Kugelblitze, verursacht durch Oxidation von Nanopartikelnetzwerken durch normale Blitzeinschläge in den Boden, Nature, 403, 6769, S. 519–521, Februar 2000). Es gibt starke Argumente für das Nano-Silizium-Modell, da eine chinesische Spektrometermessung im Jahr 2012 zeigte, dass Kugelblitze Silizium, Eisen und Kalzium, zumindest als Verunreinigungen, enthalten. Trotz seiner Vorteile weist das Modell einige Schwächen auf: Es erklärt nicht die Levitation, und sein Ursprung ist an den Boden gebunden. Kugelblitze wurden auch bei Stürmen über dem Meer, an Bord von Metallschiffen, in Innenräumen oder bei Schneestürmen auf vollständig gefrorenem Boden beobachtet. Das Problem des Modells besteht darin, dass die locker strukturierte, elektrostatisch gebundene Nanopartikelwolke durch eine starke Windböe auseinandergerissen wird und die Ausbildung der Kugelform nicht offensichtlich ist. Bei hohem Siliziumanteil fällt dieses ab, und die elektrischen Effekte bleiben aus, da es sich um ein chemisches Metallpulververbrennungsmodell handelt. Das Modell geht davon aus, dass Siliziumdioxid und Kohlenstoff (als Reduktionsmittel) im Boden in nahezu gleichen Anteilen vorliegen.
In Experimenten, die der Theorie folgten (beispielsweise durch Lichtbogenverdampfung reiner Siliziumwafer), konnten für Sekunden leuchtende Kugeln erzeugt werden, Experimente mit realen Bodenproben schlugen jedoch fehl. Die langsame Oberflächenoxidation von Nanopartikeln erklärt weder die enorme Energiedichte, die einige Beobachtungen nahelegen, noch andere elektrische Phänomene.
Es sei angemerkt, dass leuchtende Kugeln auf vielfältige Weise erzeugt werden können, beispielsweise in einer Mikrowelle oder sogar mit einem Streichholz, es sich dabei aber nicht um Kugelblitze handelt. Andererseits ist anzunehmen, dass es verschiedene Arten von Kugelblitzen geben kann.
Das in der Literatur am weitesten verbreitete Modell ist das John-Abrahamson-James-Dinniss-Modell (Kugelblitze, verursacht durch Oxidation von Nanopartikelnetzwerken durch normale Blitzeinschläge in den Boden, Nature, 403, 6769, S. 519–521, Februar 2000). Es gibt starke Argumente für das Nano-Silizium-Modell, da eine chinesische Spektrometermessung im Jahr 2012 zeigte, dass Kugelblitze Silizium, Eisen und Kalzium, zumindest als Verunreinigungen, enthalten. Trotz seiner Vorteile weist das Modell einige Schwächen auf: Es erklärt nicht die Levitation, und sein Ursprung ist an den Boden gebunden. Kugelblitze wurden auch bei Stürmen über dem Meer, an Bord von Metallschiffen, in Innenräumen oder bei Schneestürmen auf vollständig gefrorenem Boden beobachtet. Das Problem des Modells besteht darin, dass die locker strukturierte, elektrostatisch gebundene Nanopartikelwolke durch eine starke Windböe auseinandergerissen wird und die Ausbildung der Kugelform nicht offensichtlich ist. Bei hohem Siliziumanteil fällt dieses ab, und die elektrischen Effekte bleiben aus, da es sich um ein chemisches Metallpulververbrennungsmodell handelt. Das Modell geht davon aus, dass Siliziumdioxid und Kohlenstoff (als Reduktionsmittel) im Boden in nahezu gleichen Anteilen vorliegen.
In Experimenten, die der Theorie folgten (beispielsweise durch Lichtbogenverdampfung reiner Siliziumwafer), konnten für Sekunden leuchtende Kugeln erzeugt werden, Experimente mit realen Bodenproben schlugen jedoch fehl. Die langsame Oberflächenoxidation von Nanopartikeln erklärt weder die enorme Energiedichte, die einige Beobachtungen nahelegen, noch andere elektrische Phänomene.
Es sei angemerkt, dass leuchtende Kugeln auf vielfältige Weise erzeugt werden können, beispielsweise in einer Mikrowelle oder sogar mit einem Streichholz, es sich dabei aber nicht um Kugelblitze handelt. Andererseits ist anzunehmen, dass es verschiedene Arten von Kugelblitzen geben kann.
Über Blitze
Die Gesamtladung und Stromstärke eines Blitzes unterscheiden sich je nach Polarität erheblich. Bei einem negativen Blitz (der etwa 95 % aller Blitzeinschläge ausmacht) transportiert eine durchschnittliche Hauptentladung etwa 5 Coulomb Ladung. Der gesamte Blitzvorgang (aufgrund mehrerer Hauptentladungen) entlädt insgesamt 15–25 Coulomb negative Ladung in die Erde. Die durchschnittliche Stromstärke beträgt 30.000 Ampere (30 kA). Eine Hauptentladung eines positiven Blitzes (seltener, aber stärker) transportiert eine Ladung von über 100–350 Coulomb von der Wolke zur Erde. Ihre durchschnittliche Stromstärke erreicht 150.000–300.000 Ampere (150–300 kA). Blitze entladen ihre Ladung in kürzester Zeit, nur 30–50 Mikrosekunden (30–50 × 10⁻⁶ s), und erreichen daher Temperaturen im Bereich von Zehntausenden von Grad. Ein Kugelblitz hat eine Ladung von 10-7 - 10-8 C und kann 10-100 Sekunden andauern, was einem Unterschied von etwa acht Größenordnungen in der Ladung entspricht.
Die Gesamtladung und Stromstärke eines Blitzes unterscheiden sich je nach Polarität erheblich. Bei einem negativen Blitz (der etwa 95 % aller Blitzeinschläge ausmacht) transportiert eine durchschnittliche Hauptentladung etwa 5 Coulomb Ladung. Der gesamte Blitzvorgang (aufgrund mehrerer Hauptentladungen) entlädt insgesamt 15–25 Coulomb negative Ladung in die Erde. Die durchschnittliche Stromstärke beträgt 30.000 Ampere (30 kA). Eine Hauptentladung eines positiven Blitzes (seltener, aber stärker) transportiert eine Ladung von über 100–350 Coulomb von der Wolke zur Erde. Ihre durchschnittliche Stromstärke erreicht 150.000–300.000 Ampere (150–300 kA). Blitze entladen ihre Ladung in kürzester Zeit, nur 30–50 Mikrosekunden (30–50 × 10⁻⁶ s), und erreichen daher Temperaturen im Bereich von Zehntausenden von Grad. Ein Kugelblitz hat eine Ladung von 10-7 - 10-8 C und kann 10-100 Sekunden andauern, was einem Unterschied von etwa acht Größenordnungen in der Ladung entspricht.
Kugelblitze
(https://www.24h.com.vn/media-24h/bi-an-hien-tuong-set-hon-cuc-hiem-trong-tu-nhien-c762a1479345.html)
Streamers
Aufgrund des Ladungsverhältnisses (Disproportionalität) von Blitzen und Kugelblitzen untersuchen wir zunächst Entladungsstreifen (unsichtbare Blitze, die vom Boden ausgehen) als Ursprung von Kugelblitzen und anschließend Yukawa-Staubplasmen, die ein der Oberflächenspannung ähnliches Phänomen aufweisen und somit die Kugelform gut erklären.
Aufgrund des Ladungsverhältnisses (Disproportionalität) von Blitzen und Kugelblitzen untersuchen wir zunächst Entladungsstreifen (unsichtbare Blitze, die vom Boden ausgehen) als Ursprung von Kugelblitzen und anschließend Yukawa-Staubplasmen, die ein der Oberflächenspannung ähnliches Phänomen aufweisen und somit die Kugelform gut erklären.
Während die Temperatur herkömmlicher Linienblitze 30.000 Grad Celsius erreichen kann, ist die innere Energie von Kugelblitzen deutlich geringer, etwa 100 A, vielleicht einige hundert A. Sie weisen auch niedrigere Temperaturen auf, laut Literaturangaben etwa 100–1000 Kelvin, und ihre Ladung beträgt einige nC–μC, überraschend gering. Der Kopf der Entladungsstreifen ist jedoch ein hochenergetisches, ungewöhnliches Phänomen.
Für die Entstehung von Entladungsstreifen ist etwa Eine elektrische Feldstärke von 30 kV/cm (bzw. 4–10 kV/cm in Gewitterluft und feuchter Luft) ist erforderlich, und die Elektronendichte im Streamerkopf erreicht 10¹⁴–10¹⁵ freie Elektronen/cm³. Die Plasmatemperatur ist mit 1000–2000 K (ca. 700–1700 °C) relativ niedrig und liegt damit unter der Temperatur des späteren Haupteinschlags von 30.000 Kelvin.
Der Streamerkopf beginnt als dünnes Filament mit einem Radius von nur 0,1 bis 1 Millimeter, seine Ausbreitungsgeschwindigkeit liegt jedoch zwischen 10⁵ und 10⁶ m/s (ca. 360.000–3.600.000 km/h). Obwohl die Ladung der Streamer gering ist, ist die an der Streamerspitze lokal akkumulierte Raumladung sehr groß (ca. 10¹² eV).
Sie erzeugt eine elektrische Feldstärke von 30 kV/cm oder mehr, die für die selbstständige Ausbreitung des Ionenkanals ausreicht.
An der Streamerspitze erreicht die Energie der einzelnen, dort beschleunigten freien Elektronen 10–100 keV. Dies genügt zur Ionisierung von Luftmolekülen und zur Aufrechterhaltung einer kontinuierlichen Ionisationslawine. Durch die Elektronenlawine entstehen aus den Luftmolekülen zahlreiche positive Ionen, die groß und weniger beweglich als Elektronen sind.
Sie erzeugt eine elektrische Feldstärke von 30 kV/cm oder mehr, die für die selbstständige Ausbreitung des Ionenkanals ausreicht.
An der Streamerspitze erreicht die Energie der einzelnen, dort beschleunigten freien Elektronen 10–100 keV. Dies genügt zur Ionisierung von Luftmolekülen und zur Aufrechterhaltung einer kontinuierlichen Ionisationslawine. Durch die Elektronenlawine entstehen aus den Luftmolekülen zahlreiche positive Ionen, die groß und weniger beweglich als Elektronen sind.
Positiv geladene Blitze und Vorblitze sind energiereicher als negativ geladene Elektronenblitze, da – ähnlich wie in Halbleitern – tatsächlich Lochleitung stattfindet. Der Elektronenmangel wandert nach oben, und die trägen positiven Ionen bleiben nahezu stationär. So breitet sich ein sich selbst erhaltender Blitzkopf aus 1000 K und 2000 K heißen Löchern, ein physikalisches Phänomen, mit etwa einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit aus. Die elektrische Ladung am Kopf eines Blitzes (der Spitze des Blitzes) beträgt ungefähr 10⁻⁷ bis 10⁻⁶ Coulomb (0,1 bis 1 Mikro-Coulomb) und ist damit vergleichbar mit der eines Kugelblitzes. Blitze haben einen weiteren Vorteil: Sie sind sehr schwach und unsichtbar. Sie sind zu schnell für das menschliche Auge, nur mit ultraschnellen Kameras sichtbar, und es gibt Kugelblitze, die scheinbar unerklärlicherweise aus dem Nichts entstehen.
Kugelblitze können durch die Kontraktion des Plasmakanals aus einem Streamer entstehen. Dieser Kanal wird durch ein Phänomen zusammengezogen, das der Oberflächenspannung ähnelt und in Yukawa-Staubplasmen auftritt. Die intrinsische Viskosität und die erhöhte Oberflächenspannung unterdrücken die Rayleigh-Plateau-Instabilität, sodass der Filament eine stabile makroskopische Kugel bildet, anstatt in viele kleinere Tröpfchen zu zerfallen.
Streamers
(https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S016980951730652X)
Yukawa Pulverplasma
Yukawas Pulverplasmen besitzen eine besondere Eigenschaft: Sie zeigen ein Phänomen, das der Oberflächenspannung ähnelt. In stark gekoppelten Yukawas Pulverplasmen tritt aufgrund der Wechselwirkungen zwischen den Pulverpartikeln ein Phänomen auf, das der makroskopischen Oberflächenspannung ähnelt. Die in das Plasma eintretenden, mikrometergroßen Partikel nehmen durch das Einfangen freier Elektronen und Ionen eine hohe negative Ladung auf. Die elektrostatische Abstoßung zwischen den Pulverpartikeln wird durch die Ionen des umgebenden Plasmas abgeschirmt. Dieses Phänomen wird durch das abgeschirmte Coulomb-Potential, das Yukawa-Potential, beschrieben. Die potenzielle Energie zwischen den Partikeln übersteigt ihre thermische kinetische Energie bei Weitem (starke Kopplung). Im stark gekoppelten Zustand verhält sich das Pulverplasma nicht wie ein Gas, sondern wie eine dichte Flüssigkeit oder im Extremfall wie ein Kristall. Auf die Partikel im Inneren wirken symmetrische Kräfte aus allen Richtungen, während die resultierende Kraft, die auf die Partikel am Rand der Staubwolke (an der Grenzfläche) wirkt, nach innen gerichtet ist. Diese Asymmetrie erzeugt eine Oberflächenspannung, die der von klassischen Flüssigkeiten ähnelt. Obwohl die Partikel die gleiche Ladung tragen, führt der Ionenfluss im Plasma zu einer Fernanziehung zwischen ihnen in bestimmten Richtungen. Dies stabilisiert die Grenzfläche und erhöht die Oberflächenspannung. Bei Metallpulver-Plasmamodellen – z. B. Siliziumstaub – reicht der theoretische Oberflächenspannungskoeffizient (σ = 10⁻⁴ – 10⁻² J/m²) kaum aus, um den durch die modifizierte Laplace-Gleichung (ΔP = 4σ/d) beschriebenen inneren thermischen und elektrostatischen Ausdehnungsdruck auszugleichen. Wir nehmen Wasserdampf als Partikelmaterial an, der auch in der Laborpraxis vorkommt, beispielsweise am Max-Planck-Institut.
Material, Leuchten, Stabilität von Kugelblitzen
Bezüglich der Stabilität gewährleistet das Oberflächenphänomen des granularen Plasmas, ähnlich der Oberflächenspannung, lediglich die Kugelform. Für die Lebensdauer, die mitunter ein bis zwei Minuten beträgt, und zum Ausgleich der Energieverluste ist in unserem Modell ein gewisser Brennstoff erforderlich: die Hydroxylradikale des aus den Partikeln freigesetzten Dampfes. Diese verbrennen alles bei etwa 1200 Grad.
Bezüglich der Stabilität gewährleistet das Oberflächenphänomen des granularen Plasmas, ähnlich der Oberflächenspannung, lediglich die Kugelform. Für die Lebensdauer, die mitunter ein bis zwei Minuten beträgt, und zum Ausgleich der Energieverluste ist in unserem Modell ein gewisser Brennstoff erforderlich: die Hydroxylradikale des aus den Partikeln freigesetzten Dampfes. Diese verbrennen alles bei etwa 1200 Grad.
Die Annahme, dass das Metallpulver aus dem Boden stammt, führte zu einem Widerspruch, da zahlreiche Kugelblitze (im Schnee, auf Schiffsdecks) beobachtet wurden, bei denen ein direkter Ursprung im Boden ausgeschlossen werden muss. Ton und Wasserdampf sind häufige Bestandteile der Luft, was plausibel erscheint. Kohlenstoffverbindungen mussten aufgrund ihrer hohen Verbrennungsrate als Energiespeicher ausgeschlossen werden, und das Material der Partikel könnte auch Wasser sein.
Hydroxylradikale: Wasserstoff explodiert in Gegenwart von Sauerstoff. Hydroxylradikale (-OH) und Perhydroxylradikale (-O₂H) entstehen in enormen Mengen aus den Entladungsstreifen. Untersuchungen, die in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurden, haben gezeigt, dass sowohl sichtbare Blitzeinschläge als auch unsichtbare Entladungsstreifen große Mengen an Hydroxyl- (-OH) und Hydroperoxylradikalen (-HO₂) erzeugen. Die benötigte Dampfmenge: Etwa 5 Gramm Mikropartikel Wasserdampf sind erforderlich, um ein Phänomen ähnlich der Oberflächenspannung bei einem durchschnittlichen Kugelblitz, wie beispielsweise Regen, zu erzeugen. Leichte organische Verunreinigungen, insbesondere Kohlenstoffverbindungen, die überall in der Luft vorkommen, eignen sich zur Kondensation von Wasserdampf. Bei hohen Temperaturen (oberhalb von etwa 1100–1200 K) wird auch das Radikal -O₂H aktiviert. Durch die Zersetzung von Wasserstoffperoxid (H₂O₂ → 2 -OH) entstehen zahlreiche aktive Hydroxylradikale, die Verbrennungsprozesse (auch von Stickstoff oberhalb von 1200 °C) beschleunigen und speisen. Das Radikal -O₂H gilt als „Reiniger“ der Atmosphäre und spielt eine Schlüsselrolle in der Troposphäre (untere Atmosphäre). Es reagiert mit Schadstoffen (z. B. Stickstoffmonoxid) und fördert die Bildung von Hydroxylradikalen (-OH), welche atmosphärisches Methan und andere Kohlenwasserstoffe verbrennen.
Hydroxylradikale aus Blitzen verbrennen alles. Ihre Anwesenheit reicht aus, um die Kugel zu erhitzen und zu stabilisieren. Sie kühlt nicht schnell ab und zerfällt nicht, wie es bei Metallpulvern der Fall ist.
Die Spaltung von Wassermolekülen (H₂O) und die Bildung von OH- und O₂H-Radikalen in den Blitzköpfen erfordern viel Energie. Ebenso wird viel Energie für die Spaltung des Wassermoleküls (H₂O) und die Ionisierung von Gasen (Plasmabildung) benötigt. Daher wird auch bei der Rekombination von H- und OH-Radikalen viel Energie freigesetzt.
Wenn die Radikale rekombinieren oder mit anderen Gasen (wie Stickstoffmonoxid oder Ozon) reagieren, setzen sie kontinuierlich Wärme und Licht frei, die als chemischer Brennstoff dienen und die Kugel am Leuchten halten. Augenzeugen berichten von einem stechenden, schwefelartigen oder ozonartigen Geruch nach einem Kugelblitz, der möglicherweise durch OH-Radikale verursacht wird. Sie oxidieren Stickstoffverbindungen in der Luft stark, wodurch sich Salpetersäure (HNO₃) und andere Stickoxide auf der Oberfläche des Kugelblitzes bilden.
Die Spaltung von Wassermolekülen (H₂O) und die Bildung von OH- und O₂H-Radikalen in den Blitzköpfen erfordern viel Energie. Ebenso wird viel Energie für die Spaltung des Wassermoleküls (H₂O) und die Ionisierung von Gasen (Plasmabildung) benötigt. Daher wird auch bei der Rekombination von H- und OH-Radikalen viel Energie freigesetzt.
Wenn die Radikale rekombinieren oder mit anderen Gasen (wie Stickstoffmonoxid oder Ozon) reagieren, setzen sie kontinuierlich Wärme und Licht frei, die als chemischer Brennstoff dienen und die Kugel am Leuchten halten. Augenzeugen berichten von einem stechenden, schwefelartigen oder ozonartigen Geruch nach einem Kugelblitz, der möglicherweise durch OH-Radikale verursacht wird. Sie oxidieren Stickstoffverbindungen in der Luft stark, wodurch sich Salpetersäure (HNO₃) und andere Stickoxide auf der Oberfläche des Kugelblitzes bilden.
Beim Durchdringen von Wänden und Fenstern kann die Plasmawolke aus ionisierten Gasen und OH-Radikalen eine der überraschenden Eigenschaften von Kugelblitzen erklären: Sie können durch ein geschlossenes Fenster hindurchgehen, ohne das Glas zu zerbrechen. Wenn der äußere Blitzstrahl das Fenster erreicht, durchdringt das elektrische Feld das Glas und regeneriert lokal OH-Radikale und -Ionen aus der Raumluft, wodurch die Raumluft ionisiert wird. Um einen Kugelblitz zu interpretieren, wenn wir seinen Ursprung im Kopf eines Blitzstrahls sehen.
Zeitlicher Verlauf der Abkühlung von Kugelblitzen
Der zeitliche Verlauf der Abkühlung von Kugelblitzen ist eine langgestreckte Kurve mit einem Plateau. Aufgrund ihrer inneren chemischen Energie kühlt die Kugel nicht einfach ab, sondern hält ihre Temperatur von ca. 1000 K bis ca. 2000 K, bis ihr Brennstoff dies zulässt, und kollabiert dann lautlos oder mit einem Knall. (https://bencsik.rs3.hu/component/content/category/984-a-goembvillam-fizikai-parameterei.html?Itemid=101)
Der zeitliche Verlauf der Abkühlung von Kugelblitzen ist eine langgestreckte Kurve mit einem Plateau. Aufgrund ihrer inneren chemischen Energie kühlt die Kugel nicht einfach ab, sondern hält ihre Temperatur von ca. 1000 K bis ca. 2000 K, bis ihr Brennstoff dies zulässt, und kollabiert dann lautlos oder mit einem Knall. (https://bencsik.rs3.hu/component/content/category/984-a-goembvillam-fizikai-parameterei.html?Itemid=101)
Eine durchschnittliche Kugel aus heißem Gas in der Luft würde aufgrund des Auftriebs innerhalb von Millisekunden aufsteigen und sich auflösen. Die Abkühlungsrate von Kugelblitzen, die auf Gasdampf basieren, ist langsam, da im System chemische Erwärmung stattfindet. Das Plateau in der Abkühlungskurve wird durch die kettenreaktionsartige, zeitlich ausgedehnte Rekombination von Hydroxylradikalen aufrechterhalten. Solange die Temperatur des internen Gasgemisches bei etwa 1000–2000 K liegt, gewährleistet die Aktivierungsenergie ein kontinuierliches und kontrolliertes „Verbrennen“. Der Prozess ist selbstregulierend: Kühlt die Kugel ab, erhöht sich ihre Dichte, die Partikel des Yukawa-Staubplasmas rücken näher zusammen, wodurch die Anzahl lokaler Kollisionen zunimmt. Dies beschleunigt die chemische Reaktion und führt zu einer erneuten Aufheizung des Systems. Die interne Rückkopplung stabilisiert die Abkühlungsrate.
Die Lebensdauer der Kugel hängt davon ab, wie lange es dauert, bis der vom Streamer angesammelte chemische „Treibstoff“ verbraucht ist oder bis das durch das Yukawa-Potenzial erzeugte Oberflächengleichgewicht zusammenbricht. Die Lebensdauer einer durchschnittlichen Kugel beträgt je nach Helligkeit und Größe 10–200 Sekunden.
Es gibt zwei Arten des Abbruchs: still und explosiv. Bei einem stillen Kollaps verbraucht sich der Brennstoff (OH-Radikale) allmählich, die Temperatur sinkt unter den kritischen Wert, die abschirmende Wirkung der Yukawa-Ladungen, die die Oberflächenspannung aufrechterhalten, geht verloren, und die Kugel verdampft. Bei einer explosiven Zerstörung, wenn die Oberflächenspannung aufgrund von Abkühlung plötzlich abnimmt, bevor die innere chemische Energie vollständig verbraucht ist, durchbricht der Innendruck (ΔP = 4σ/d) an einer bestimmten Stelle die Hülle. Der verbleibende Wasserstoff und die Hydroxylradikale rekombinieren innerhalb einer Millisekunde explosionsartig mit dem externen Sauerstoff.
Beispielsweise die Reaktion des Gemini AI bei einem Durchmesser von 40 cm, wenn die Masse der verdrängten kalten Luft 40,2 Gramm beträgt. Bei 1000 K beträgt die Masse der internen heißen Luft und des Wasserdampfs nur 11,7 Gramm. Damit die Nettodichte des Kugelblitzes exakt der der Außenluft entspricht (d. h. damit er schwebt), muss die Gesamtmasse des Wasserdampfs und der Hydroxylradikale im Plasma genau der Differenz zwischen den beiden entsprechen, also 28,5 Gramm. Ist die Masse des Wasserdampfs geringer, steigt der Blitz auf; ist sie größer, sinkt er ab. Weiterhin wird angenommen, dass keine Verunreinigungen vorhanden sind.
Die benötigte Heizleistung und -energie: Um den Strahlungswärmeverlust gemäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz auszugleichen, werden etwa 250–300 Watt benötigt, während die Verluste durch Wärmeleitung und Konvektion nur 50–100 Watt betragen. Die benötigte chemische Heizleistung liegt bei etwa 300–400 Watt. Eine kontinuierliche interne Erwärmung ist erforderlich, die durch die kettenreaktionsartige Rekombination der Hydroxylradikale erfolgt.
Gesamte innere Energie: Die gesamte innere chemische Energie von 33,5 Litern ionisiertem Gasgemisch und 28,5 Gramm aktiven Radikalen beträgt etwa 300–500 Kilojoule (kJ). Dies reicht aus, um den Kugelblitz 15–20 Sekunden lang zu stabilisieren, bevor sein Brennstoff verbraucht ist.
* Bei Elektronenlawinen (Townsend-Lawinen) in feuchter Luft beträgt das anfängliche Verhältnis von positiven zu negativen Ionen 50 %.
(d. h. 1:1-Verhältnis), da bei jeder Stoßionisation ein einzelnes positives Ion und ein einzelnes freies Elektron entstehen. Die Elektronen binden innerhalb von Nanosekunden an umgebende Moleküle und bilden so stabile, komplexe Ionen. In feuchter Luft, die fast ausschließlich aus Stickstoff und Sauerstoff besteht, entspricht die Verteilung der primären positiven Ionen der Gaszusammensetzung (ca. 78 % Stickstoff und 21 % Sauerstoff). Bei Feuchtigkeit (Wasserdampf) übertragen die primären positiven Ionen (50 %) ihre Ladung schnell auf die Wassermoleküle, wenn sie mit dem Wassergehalt der Luft kollidieren. Am Ende dieses Prozesses entstehen sogenannte hydratisierte Protonen (Oxoniumionen). Die negativen Ionen (50 %) fangen die bei der Ionisation freigesetzten Elektronen ein, und es bilden sich Sauerstoffanionen (ca. 60–70 %) (Sauerstoff ist ein hervorragender Elektronenfänger). Carbonat- und Nitratderivate entstehen in ca. 20–30 % der Fälle durch Reaktionen mit Spurengasen in der Luft. Hydroxidionen machen etwa 5–10 % aus (direkt durch dissoziative Elektroneneinfangung von Wassermolekülen). Unter dem Einfluss von Feuchtigkeit (Wasserdampf) beginnen die negativen Ionen sofort, Wassermoleküle um sich zu binden. Die stabilen negativen Ionen feuchter Luft bestehen aus hydratisierten Sauerstoff- und Hydroxidclustern. Bei Elektronenlawinen entstehen in feuchter Luft nicht nur geladene Ionen, sondern auch neutrale, hochreaktive freie Radikale.
Während die Ionisierung hohe Energie erfordert, erfolgt die Spaltung (Dissoziation) von Wassermolekülen auch durch Elektronenstöße mit niedrigerer Energie. Vom Hydroxylradikal und Hydroperoxylradikal ist das Hydroxylradikal das dominierende primäre Radikal. In feuchter Luft führt die Elektronenlawine zu einer schnellen Bildung von Ionen.