A GÖMBVILLÁM LEÍRÁSA
(2024 június)
ABSTRACT
A gömbvillám fizikáját az ívfény fizikájával magyarázzuk. Hasonló légköri jelenségek lehetnek a parázsfény és a sarki fény is. Az ívfény színét is ionizált oxigén és nitrogén atomok okozzák. Szerencsés esetben a gömbvillám spektrumában mérhetőek az oxigén és a nitrogén vonalai. A nitrogén oxidok hő hatására jönnek létre, villámlás -és légköri ívfény- során a nitrogén természetes módon oxidálódik, és jellegzetes szagú nitrogén oxidok jönnek létre, a tapasztalatoknak megfelelően. Az ívfény esetén a termikus ionizáció a jellemző, koronakisülés esetén a földfelszínhez kötött ütközéses ionizáció. Mind a kétféle ionizáció oka a plazma negatív ellenállású (dinamikus ellenállás, ami zérus feszültségnél nem létezik) állapota, amit a gömbvillám stabilitási feltételének tekintünk. A negatív ellenállású állapotban a feszültség csökkenésekor is nő az áramerősség, azaz az ionok száma, és az áramerősséget csak a megmaradási törvények korlátozzák.
A gömbvillám kialakulása: A villámok fizikájában leírt jelenség, hogy léteznek a Földről induló színes ioncsatornák. Nehezen foltozhatóak, csak a nagysebességű kamerák felvételein észlelhetőek, nem a felhővillámok részei. Amikor elektromos légköri feszültség több tízezer Volt/centiméter, ionizálja a levegőben az oxigént, nitrogént. A Földről induló, helyhez kötött ioncsatornákat ionizált oxigén és nitrogén atomok alkotják. A gömbvillámok forrásai a Földről induló ioncsatornák, a feltételezésünk szerint. Ha a légköri feszültség elegendően nagy, és ha az ionok elegendő számban jöttek létre, kialakul az ioncsatorna negatív ellenállású állapota, amit parázsfényként, koronakisülésként ismerünk. A koronakisülésnél az elektron lavinák ütközéses ionizáció-t okoznak. A folyamat önmagát gerjeszti, és létrejön a negatív ellenállású állapot, ami csökkenő feszültségnél is növeli az elektron lavinák intenzitását: a csatorna néha függetlenné válik a külső feszültségtől, a földfelszíntől, és kialakul egy gömbvillám: egy olyan negatív ellenállású állapot, amit ekkor termikus emisszió jellemez. A termikus emisszió növeli a részecskék mozgékonyságát, a plazma szabadon lebeghet.
Az ívfény negatív ellenállású jelenségével magyarázzuk a gömbvillámok stabilitását. A gömb középen a legintenzívebb a termikus emisszió, ami a felfújódó gömb alak oka. A felületén alacsonyabb a hőmérséklet, a parázsfény a jellemző, a peremén lekombinálódnak az ionok. A gömbvillám összességében elektromosan közel semleges. // DESCRIPTION OF THE BALL LIGHTNING:
We explain the physics of a ball lightning with the physics of arc light. Similar atmospheric phenomena may be the corona discharge and the aurora borealis. The colour of arc light is also caused by ionised oxygen and nitrogen atoms. In the lucky case, the lines of oxygen and nitrogen can be measured in the spectrum of the ball lightning. Nitrogen oxides are formed by heat, during lightning - and atmospheric arc-light - nitrogen is naturally oxidised to form nitrogen oxides with a characteristic odour, as observed. Thermal ionisation is typical of arc-light, and in the case of corona discharge, collision ionisation is typical of ground-ground ionisation. Both types of ionisation are caused by the negative resistivity (dynamic resistance, which does not exist at zero voltage) state of the plasma, which is considered to be the stability condition of the spherical filament. In the negative-resistance state, the current, i.e. the number of ions, increases as the voltage decreases, and the current is limited only by the conservation laws.
The formation of the ball lightning: Stationary ion channels from the Earth are difficult to spot, can only be detected in high-speed camera images, and are not part of cloud lightning. When atmospheric electric potential is tens of thousands of volts per centimetre, they ionise oxygen and nitrogen in the air. Stationary ion channels from the Earth are made up of ionised oxygen and nitrogen atoms. The source of the ball lightning is thought to be these ion channels from the Earth. If the atmospheric tension is sufficiently high, and if a sufficient number of ions are created, a negative-resistance state of the ion channel is formed, known as a glowing ember, or corona discharge. In corona discharge, the electron avalanches cause collisional ionisation. The process is self-excited and a negative resistive state is created, which increases the intensity of the electron avalanches even at decreasing voltages: the channel sometimes becomes independent of the external voltage, the ground surface, and a ball lightning is formed: a negative resistive state, then characterised by thermal emission. Thermal emission increases the mobility of the particles, allowing the plasma to float freely.
The negative resistance phenomenon of arc light is the explanation for the stability of the spherical lightning. Thermal emission is most intense in the centre of the sphere, which is the cause of the inflating spherical shape. The surface has a lower temperature, is characterised by glowing embers, and the ions recombine at the rim.
.
BEVEZETÉS
A kutatás egyik eszköze az internetes keresés volt. Egy szép kis videó: https://www.youtube.com/watch?v=1bBNeyrMOJE). A gömbvillámoknak a fizika közel minden szóba jövő témakörét lefedő számos magyarázata* létezik. A hipotézisek centrális erőtereket, vagy ritkán elő forduló részecskéket feltételeznek, nem elfogadott magyarázatok. A gömbvillám légköri jelenség, a feltételezésünk szerint a levegő, a nitrogén és az oxigén ionjai alkotják a gömbvillámokat, és a töltéskisülés jelenségeivel leírhatóak.
A koronakisülés színes, közel gömbszerű légköri ionizációs jelenség, de a ionjainak forrása helyhez kötött, jellemzője a parázsfény. Mesterséges előállítása tűelektródákkal történik, előállításához nagyfeszültség szükséges, elektron lavinák okozzák az ionizációt. A parázsfény nagyobb feszültségnél (a gyújtási feszültségnél) ívfénnyé alakul.
Irodalmi áttekintés*: a gömbvillám nem ritka jelenség, sok nem elfogadott magyarázatát publikálták. A légkör- és a villámfizikára vonatkozóan ld.: R.P. Feynman-R.B. Leighton-M. Sands: Mai Fizika, 5. kötetet, (120. o. Műszaki Könyvkiadó, 1969. ETO 53 "19" (082)), ahol a "Légköri elektromosság" című fejezetben összefoglalták a szerzők a villámok fizikáját. Az elektromos légköri feszültség több tízezer Volt/centiméter lehet, ami ionizálja az oxigént, nitrogént. Az irodalmi hipotézisekben tényleges különbség a töltött részecskék minőségében és az őket összetartó centrális erőterek eredetében van.
A legegyszerűbb hipotézist keresve elvetettük a centrális összetartó erőteret. A légköri feszültség elegendően nagy értékénél önfenntartó plazma alakul ki egy negatív ellenállású állapotban, csökkenő feszültségnél is nő az elektronok mozgékonysága, az energiamegmaradás adta korlátokon belül. Az ioncsatornában a hőmérséklet emelkedés miatt kialakul a megfigyelt felfújódó gömb alak, melynek a felületén lekombinálódnak az ionok. A lebegő gömbvillám belsejében a nyomás közel állandó a gyújtásfeszültség felett, a hőmérséklet maximuma a középpontban van.
Az ionok forrásai: van a villámoknak egy, a Földről vagy repülőgépekről induló, nehezen észrevehető ioncsatorna fajtája is. A "földfelületről, főként a kiemelkedő, hegyes részekből is megindul kis lépésekben a pozitív előjelű elektromosság cikk-cakkos áramlása a felhő felé, de a felhőt sohasem éri el. A Föld felől kiinduló áramlás jellegzetessége a lilás, rózsaszínes fény, (parázsfény, ami csak nagy sebességű kamera felvételein észlelhető. Nedves levegőben az elektron lavina megindulásához körülbelül 100 kV/m elektromos térre van szükség). A felhőből kiinduló csatorna pedig általában fehér színű." (https://en.wikipedia.org/wiki/Lightning). A Földről induló, nehezen észrevehető ioncsatorna összeomlik, ha nem találkozik a felülről induló ioncsatornával, villámmal.
Az ívkisülés ismert jelenségével, termikus emisszióval és negatív ellenállással magyarázzuk a gömbvillámok stabilitását. Az ionfelhő hőmérséklete és a rekombináció okozzák a gömb alakot. A jelenség kialakulásának energiáját az elektromos légköri feszültség biztosítja. Makroszkopikusan elektromosan semleges, de plazma. Megszűnését a rekombináció és az energiamegmaradás okozza.
A gömbvillám leírása: forrása a földfelületről induló, nehezen észrevehető ioncsatornák. Az ionok a Föld felszínről származnak, a légköri feszültség hozza létre a csatornákat, és nem stabil jelenségek, ütközéses ionizáció a jellemző. Gázkisülésnél a jelenség neve koronakisülés (parázsfény, Szent Elmo tüze, https://en.wikipedia.org/wiki/St._Elmo%27s_fire, hideg plazma), és negatív ellenállás jellemzi.
Az ioncsatorna elég nagy légköri feszültségnél ívfénnyé alakul, melyet termikus elektronemisszió és ismét negatív ellenállás jellemez, (ld. alul az ábrát). Az ívfény állapot a Föld felszínétől független, stabil jelenség néhány 10 másodpercre, a megmaradási törvényeknek megfelelően. A villámok a Földről vagy repülőgépekről, esetleg nagy kapacitású más helyekről induló ioncsatornái megfelelő forrásai a gömbvillámoknak.
A gömb mérete, térfogata, nyomása, és így az ionok száma lényegében állandó, ami úgy lehetséges, hogy a felületén közel annyi ion rekombinálódik, amennyi a belsejében keletkezik a termikus emisszió következtében egyensúlyi állapotban. A nyomás és a térfogat jó közelítéssel állandó (a hőmérséklet lassan csökken a sugárirányban és időben a hőveszteség miatt). Külső energiaforrás nélkül saját energiáját fogyasztva hűl, erős az elektromágneses (fény, hő) vesztesége, a részecskék lekombinálódnak, és a gyújtásfeszültség alatt összeomlik az ívgömb.
A gyújtásfeszültség felett a belsejében az ionizáció jellemző. A felületén parázsfény és a rekombináció a jellemző, a hőmérséklet-eloszlás következménye a szimmetrikus gömbalak. Az ionok radiális sűrűségeloszlása függvénye a nem ionizált oxigén és nitrogén molekulák szabad úthosszának, melyek a felületéről visszaáramlanak.
A SARKI FÉNYRŐL
A sarki fény töltött részecskéinek eredete: a napszéllel nagy energiájú elektronok és protonok közelednek a Föld felé, a földi mágneses mező ezeket a töltött részecskéket a pólusok felé irányítja, módosítja a részecskék irányát. A töltött részecskék követik a mágneses erővonalakat a felső légkörbe, gázatomokkal (főleg oxigénnel és nitrogénnel) ütköznek, az ütközések gerjesztik a gázatomokat (hideg plazma), ami fénykibocsátásra készteti a gázatomokat. A sarki fény színe a gáz típusától és attól függ, hogy milyen magasságban történnek az ütközések, pl. más az oxigén ionok színe nagy magasságban (zöld), és más alacsonyan (sárgás, ritkábban vörös).
Amennyiben színeket feleltetünk meg a hőmérsékletnek és a hullámhosszaknak 1800K és 5600K fok között, akkor:
Szin hőmérsékletek: (https://hu.wikipedia.org/wiki/Sz%C3%ADnh%C5%91m%C3%A9rs%C3%A9klet)
A KORONAKISŰLÉS, ÍVFÉNY
A gömbvillámok keletkezésének fizikai modellezésére ismert jelenségeket használunk, a koronakisülést, aminek a Földről induló, nehezen észrevehető ioncsatorna a forrása (https://en.wikipedia.org/wiki/Corona_discharge). A koronakisülés a levegő helyi ionizációja, és olyan helyeken keletkezik, ahol az elektromos mező (potenciálgradiens) erőssége meghaladja a levegő dielektromos szilárdságát, az utóbbi erősen függ a páratartalomtól. Gyakran kékes izzásként látható a levegőben (Szent Elmo-tűz).
Két fajtája van, a pozitív és negatív koronák. A kétféle koronakisülés fizikai működése alapvetően eltér. Oka, hogy az elektronok és a pozitívan töltött ionok tömege, mozgékonysága lényegesen különbözik. Amikor az elektronok ütközéses ionizációt okoznak, elég nagy feszültség különbségnél az elektronlavinák keletkeznek könnyebben. Pozitív koronában az összes elektron befelé mozog az ionfelhőbe, az ionok pedig kifelé taszítódnak, a negatív koronában ellenkezőleg.
A gömbvillám egy folyamat, nem statikus töltések alkotják. A korona fényét az okozza, hogy az elektronok pozitív ionokkal rekombinálódva semleges atomokat alkotnak, amikor az elektron visszatér az eredeti energiaszintjére, fotonokat bocsát ki. A fotonok további atomok ionizációját is okozhatják, fenntartva az ionizációt.
Elég nagy légköri feszültségnél a folyamat önmagát gerjeszti (negatív ellenállású állapot: az áram állandó vagy nő, miközben a feszültség csökken vagy állandó), ami
az önfenntartó plazma stabilitásának feltétele.
A levegő gyújtási feszültségénél az elektronok már elegendően nagy energiájúak ahhoz, hogy képesek legyenek termikus emisszióra, (https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_ionization), megjelenik az ívfény. Az ívfényt a termikus elektron emisszió jellemzi, a plazmában többszörösen ionizált atomok is lehetnek, és a hőmérséklete ugrásszerűen megnő (10 000 K fok is lehet), ez a gömbvillám esete.
Ahol egy kis feszültség csökkenéshez (- Δ U -hoz) növekvő Δ lg I áram tartozik, (az lg tízes alapú logaritmust jelöl) az a karakterisztikának egy "negatív ellenállású" szakasza. Az első negatív ellenállású szakasz az átmeneti szakaszban található, ahol az áramerősség azért nem nő korlátlanul, mert a magas hőmérsékletű pozitív ionok képzése energiaigényes folyamat. A második negatív ellenállású szakaszban a növekvő áramerősséget csak a megmaradási törvények korlátozzák.
A gömbvillámok rövid idejű (≈ néhány 10 másodperc) stabilitása a második, negatív ellenállású szakasszal indokolható, ekkor termikus elektronok képződnek nagy számban, melyek a felületi rekombinációval tartanak egyensúlyt.
Lényeges lépés volt a meggondolásban a koronakisülés elemzése, ami egyszerűen értelmezhetővé teszi a negatív ellenállás jelenségét ütközéses ionizáció esetén. A negatív (differenciális vagy dinamikus) ellenállás plazmákban, félvezetőkben értelmezett jelenség, előfeszített terheléseknél fordul elő, azaz U ≈ 0 feszültségnél nem létezik.
Az elektromos kisülés feszültség-áram összefüggése: az önfenntartó kisülést elektron lavinák jellemzik. Kisebb feszültségnél fényemisszió nélkül (átmeneti szakasz, sötét kisülés), aztán parázsfényes izzó kisülés következik ütközéses elektron lavinákkal (parázsfény és koronakisülés: a fényt gerjesztett semleges atomok bocsátják ki). Az elővillámhoz parázsfény, növekedő árammal csökkenő feszültség, negatív ellenállás tartozik ütközéses elektronvezetéssel, egy ioncsatorna, ami nem gömbvillám. A folyamatok légköri nyomáson történnek. Ezután a töltéshordozók termikus emisszióval ionizálnak, kisülés önfenntartó ívkisülésbe megy át. Megszakad a kapcsolat a talajjal, növekszik a áramlás intenzitása.
A hőmérséklet elegendő a gázmolekulák elektronjainak termikus emissziójához, felfújódó gömb alak jellemző a gyújtásfeszültség felett, a felületen lekombinálódnak az ionok. Ez a magas hőmérsékletű ívkisülés szakasza, a meleg plazma állapot, ld. a videót: https://www.youtube.com/watch?v=1bBNeyrMOJE.
A sugár menti eloszlások: a gömb mérete, térfogata, nyomása közel állandó, az ionok száma időben lassan csökkenhet a rekombináció következtében. A hőmérséklet csökken sugárirányban és az időben is, a hőveszteség miatt. A felületén az elektronlavinák (parázsfény) lehet a jellemző, a sugárirányban csökkenő hőmérsékletnek és a megfigyeléseknek megfelelően, az ívgömbben a termikus elektronemisszió a jellemző.
Az energiamegmaradás törvényének megfelelően a termikus emisszió egy ideig fennmarad csökkenő külső feszültségnél is. Külső energiaforrás nélkül saját energiáját fogyasztva hűl, erős az elektromágneses (fény, hő) vesztesége, majd a gyújtásfeszültség alatt összeomlik az ívgömb. A felületi rétegben a rekombináció miatt az ionsűrűség elhanyagolható nagyságúvá válik, a konventív hővezetés miatt kívülről pótlódnak a levegőmolekulák. Kívülről az ívgömb semleges, az ionizációból következik, hogy az elektronok és az ionok száma kb. azonos (https://hu.wikipedia.org/wiki/Debye%E2%80%93H%C3%BCckel-elm%C3%A9let). Közelítőleg, mert az elektronok mozgékonyabbak.
A gyújtásfeszültség felett a gömbvillámon belül a termikus ionizáció jellemző. A felületén a rekombináció a jellemző, a hűlés, a hőmérsékleteloszlás következménye a szimmetrikus gömbalak. Az ionok radiális sűrűségeloszlása a félsugárig és közelében maximumot mutathat annak függvényében, hogy a még nem ionizált oxigén és nitrogén molekulák milyen távolságig jutnak be kívülről, a felületéről. A lekombinálódott levegőmolekulák az ívgömb belsejébe mozognak, az ellenkező irányú mozgásuk a atmoszferikus nyomást megváltoztatná. Ezért nem a konventív energiaveszteség jellemző, ha nem a sugárzó veszteségek. A levegő rossz hővezető képessége miatt a konduktív veszteség viszonylag kevés.
A gömbvillámon belül az elektronok és a pozitív ionok szabad úthosszai a meghatározóak, az elektronoké kb. 5.5 -szörös. Az ütközések csökkentik az elektronok, ionok energiáját, az ütközésekből származó energiaveszteség lassítja a részecskék mozgását negatív ellenállás esetén is.
*Irodalmi áttekintés (felsorolás): a gömbvillám nem ritka jelenség, sok -bár néha bizonytalan- megfigyelése publikált:
- Megfigyelések története: Keul, A. G.: A brief history of ball lightning observations by scientists and trained professionals, Hist. Geo Space. Sci., 12, 43–56, https://doi.org/10.5194/hgss-12-43-2021, 2021.
- https://www.eskimo.com/%7Ebillb/tesla/ballgtn.html,
- Koronakisűlés (https://en.wikipedia.org/wiki/Corona_discharge): A koronakisülés (vagy csendes kisülés) az elektromos áram egy megjelenési formája, amely normál atmoszferikus nyomású gázokban jön létre, erős, inhomogén elektromos tér jelenlétében, ha a feszültséggradiens az elektromosan töltött felület egy pontján meghaladja a gáz ionizációjához szükséges, az adott konkrét körülmények között érvényes értéket, de nem haladja meg az átütési feszültséget (ez utóbbi esetben „hangos” kisülés: szikrázás vagy elektromos ív jön létre). A koronakisülés során a közvetlen környezetben lévő gáz ionizálódik, elektromosan vezetővé válik, ún. „hideg plazma” jön létre; a távolabbi gáz eredeti állapotában marad. Jellemző kísérőjelenség a halvány, derengő (a földi légkörben a polaritástól függő kékesfehér vagy pirosas színű, a leggyakrabban csak sötétben látható) fény és a sziszegő, halkan sercegő hang. (https://hu.wikipedia.org/wiki/Koronakis%C3%BCl%C3%A9s). Elektromos jellemzői a viszonylag nagy elektromos feszültség mellett kialakuló kis áramerősség, valamint a szikrázás hiánya, https://hu.wikipedia.org/wiki/Szent_Elmo_t%C3%BCze (ezzel szemben az elektromos szikra éles, vakító fénnyel és erős hanggal jár – lásd pl.: villám).
- Kapitza (Kapitza, P. L., Doklady, U.S.S.R. (1955) és https://www.nature.com/articles/185449a0) a gömbvillámokat elektromágneses állóhullámokkal írja le, egy vezető ionizált plazmagömb rezonanciájaként, amely akkor jön létre, amikor a sugárzás hullámhossza körülbelül négyszerese a tűzgömb átmérőjének. Az ionokat összetartó erőtér eredete Kapitza szerint elektromágneses állóhullám, amely átlagosan egy virtuális potenciálminimumot hoz létre. Kapitza ötletét nem fgadták el általánosan az elmúlt 70 évben, életére vonatkozóan ld. https://tudosnaptar.kfki.hu/k/a/kapica/kapica.html . A potenciálminimum számítására vonatkozóan ld, pl.: (Silberg, P.A. On the formation of ball lightning. Il Nuovo Cimento C4, 221–235 (1981), https://doi.org/10.1007/BF02507400és https://pubs.aip.org/aip/jap/article-abstract/32/1/30/162547/On-the-Question-of-Ball-Lightning?redirectedFrom=fulltext).
- Neugebauer Tibor (Fizikai Szemle, A gömbvillámelmélete / NeugebauerTibor = 25. évf. 1975. p. 49.) ismertet egy, a kicserélődési kölcsönhatáson alapuló kvantumelméleti elgondolást, nem lett általánosan elfogadott, és nehezen elérhető a dolgozat,
- szabálytalan pályán lebeg, ("matat"), forog, gurul,
- rombol, bár nem minden esetben,
- sokszor zivatarban fordul elő, de nem kizárólag, bár zivatarban gyakoribb,
- széllel szemben is mozoghat, sebessége 1-2 m/sec is lehet,
- térelválasztó elemeken lyukat éget, néha nyom nélkül átjut.
- a gömbvillámokat átlátszó, opálosan áttetsző homályos szélekkel írják le. Többszínű, egyenletesen világító, sugárzó lángok, szálak vagy szikrák formájában írták le, amelyek formája a gömb, ovális alakzat, könnycsepp, és ritkán korong között változik,
- hirtelen eltűnnek, fokozatosan szétoszlanak, vagy elnyelődnek egy tárgyban, "pukkanva", hangosan robbanva, akár erővel robbanva, ami komoly károkat okozhat. A beszámolók az emberre való állítólagos veszélyességükről is eltérnek, a halálos és az ártalmatlan között. Gyakran jelentenek ózonra, égő kénre vagy nitrogén-oxidokra emlékeztető szagokat.
- Átmérőjük 1-100 cm között mozog, leggyakrabban 10 cm körüli,
- A színek széles skáláját figyelték meg, a leggyakoribbak a vörös, a narancssárga és a sárga, ritkán kékes, általában opálos színű.
- Élettartama egy másodperctől több mint egy percig tart, és a fényerő ez idő alatt viszonylag állandó marad,
- a megfigyelők ritkán számolnak be hőérzetről, de megéget minden érintett tárgyat, amivel érintkezik. Néhány esetben a gömb eltűnését erős hő felszabadulása kísérte.
- Egyes gömbök vonzódnak a fémtárgyakhoz, és vezetők mentén mozognak mint a drótok vagy fémkerítések.
- Egyesek épületeken belül jelennek meg előzmény nélkül, áthaladnak a zárt ajtókon és ablakokon, fém repülőgépeken belül is megjelentek, és anélkül léptek be és távoztak, hogy kárt tettek volna bennük.
- Lehetséges spektruma: szilikon, kalcium, vas, nitrogén, oxigén emisszió vonalakat figyeltek meg egy kínai spektrum mérésben nagy távolságból, valószínűleg részben szennyezések.
