A gömbvillámok: a gömb keletkezésének elméletei
(2026 július)
Abstract
A gömbvillám egy ritka, zivatarok idején fellépő, autonóm módon lebegő plazmagömb a feltételezések szerint. Jelen tanulmány a gömbvillámok keletkezés egy új mechanizmusát is vizsgálja. A keletkezés egyik alapgondolata a villámcsapások és streamerfejek környezetében lévő vízpára és annak disszociált magas hőmérsékletű hidroxil (-OH) gyökei.
Amikor a térerősség meghaladja a kritikusan szükséges kb. 30 kV/cm-es értéket, a lokális koronakisülések gázionokat hoznak létre, amelyek töltéssel látják el a villámcsaőások miatt keletkező szervetlen pernye- és porszemcséket. A dielektromos töltésmegosztás következtében fellépő elektrosztatikus vonzás és mechanikai forgás révén egy önszerveződő „hógolyó-effektus”, szemcseképződés indul el. A porhalmazt a legkisebb energiaszintet biztosító, egyenletes töltéseloszlású szabályos gömb alakra kényszeríti. Extrém (1500–3000 K) hőmérsékleten a Coulomb-taszítást a Yukawa-potenciál árnyékolja, amely a folyadékok felületi feszültségéhez hasonló kohéziós erőt biztosít, ha a csatolási tényező 50 körüli, és megakadályozva a plazma azonnali szétoszlását. A gömb lebegését és fényét az hidroxil gyökök önszabályozó rekombinációja fűti: hőtermelés → melegedés → felhajtóerő → lebegés.
Kulcsszavak: gömbvillám keletkezése, streamerfej, Yukawa porplazma, hógolyó-effektus, felületi feszültség, -OH gyökök rekombinációja.
Abstract
Theories and Physical Model of Ball Lightning Formation: Ball lightning is a rare, autonomously floating plasma sphere occurring during and after thunderstorms. This paper investigates the formation mechanism of ball lightning. The formation mechanism originates within isolated streamer channels independent of the ground, where high-temperature hydroxyl (-OH) radicals and water vapor are generated. When the electric field exceeds the critical threshold of ~30 kV/cm, localized corona discharges ionize the gas, transferring charges to surrounding inorganic dust and fly ash particles. Driven by dielectric polarization, electrostatic attraction, and mechanical rotation, a self-organizing "snowball effect" takes place. This forces the particle cluster into a perfect spherical shape to minimize energy losses through uniform surface charge density. At extreme temperatures (1500–3000 K), the disruptive Coulomb repulsion is shielded by the Yukawa potential, yielding an effective surface energy comparable to liquid surface tension that prevents the plasma from immediate dissipation (Γ≈ 50). The autonomous floating and luminous state of the sphere are continuously sustained by the internal chemical energy stored in the isolated streamer head and the self-regulating recombination of -OH radicals.Keywords: ball lightning formation, streamer head, Yukawa dust plasma, snowball effect, surface tension, -OH radical recombination.
A gömbvillámok főbb jellemzői
Néha a semmiből keletkeznek, általában zivatarok idején. Repülőgépeken, tiszta időben is keletkeznek, gyakran a talajtól függetlenül is.
Alak és méret: általában 10–40 centiméter átmérőjű, opálosan fénylő, 1000 - 3000 K-es felszínű gömbök. Érintkezés esetén a fémeket megolvasztják, az élő szervezeteket elégetik, az élő anyagba lyukakat égetnek.
A töltése- a modellek szerint- meglepően kicsi nC nagyságrendű.
Élettartam: néhány másodperctől egy percig is létezhetnek, szemben a normál vonalas villámok nanoszekundumos villanásaival.
Mozgás: lassú, lebegő mozgást végeznek a földfelszínnel párhuzamosan, a felszín közelében, gyakran követik a légáramlatokat vagy az elektromos vezetékeket.
Megszűnés: vagy csendesen elhalnak, vagy hatalmas pukkanással semmisülnek meg, jellegzetes szaggal.
Három fő kérdés: keletkezése, anyaga (szervetlen pernye), stabilitása (hidroxil gyökök rekombinációja), és a gömb alak magyarázata?
Keletkezés: zivataros, párás levegő, lebegő pernyével. (A statisztikák alapján a gömbvillám villámcsapások után a leggyakoribb, ~80-85%. Zivatarban, de villámcsapás nélkül is gyakori, ~10-15%. zivatar és villám nélkül, tiszta/száraz időben ritka, ~1-2%. A statisztika a legerősebb bizonyíték arra, hogy a gömbvillámnak nem egyetlen univerzális keletkezési mechanizmusa van. Villám nélkül egy láthatatlan elővillám (streamer) feje elszigetelődik a fő villámcsatornától. A nagy térerősség (100–200 kV/cm) széthasítja a vízmolekulákat -OH (hidroxil) gyökökre. A pernye fém- és szilikátszemcséi elektromosan polarizálódnak.
A gömb alak: a polarizált, töltéssel rendelkező porrészecskék vonzani kezdik egymást. Az áramlásokban egymásnak ütköző szemcsék forognak, a töltések a felületen a legkisebb energiaszintre törekednek. A csúcsokon fellépő veszteséges (korona) kisüléseket a rendszer úgy küszöböli ki, hogy sima, tökéletes gömbalakot vesz fel.
A stabilitást a Yukawa-folyadék okozza, a gömb belseje plazmaállapotú, (1000–4000 K), másként a Coulomb-taszítás szét robbantaná (Rayleigh-instabilitás). A sűrű pernye és a pára miatt a rendszer erősen csatolt (Γ>50) Yukawa-porplazma fázisban van, ekkor a plazma már nem gázként, hanem összefüggő folyadékként viselkedik. Saját makroszkopikus felületi feszültsége van, ami egyben tartja a gömböt.
Lebegéshez szükséges a fűtés: a gömb belsejében az -OH gyökök folyamatosan és szabályozottan rekombinálódnak, ez tartja izzásban a plazmát. A nehéz szilíciumos nanováz helyett könnyű pernye alkotja. A semleges gázmolekulák hidegek maradnak, csak az elektronok forrók, így a gömb sűrűsége kicsi, és stabilan lebeg a levegőben.
Legfontosabb keletkezési, működési elméletek az irodalomban
Szilícium-gőz hipotézis**** (kémiai reakció elmélet): John Abrahamson és James Dinniss -legelfogadottabb- elmélete szerint a talajba csapó vonalas villám hője elpárologtatja a földben lévő szilikát ásványokat. A homokot a talajban lévő elemi szén redukálja, tiszta szilícium keletkezik, az elpárolgó szilícium nanovázat alkot, és a levegő oxigénjével reagálva lassan égő, világító gömböt alkot. A teóriát erősíti, hogy kínai kutatóknak 2012-ben először sikerült természetes gömbvillámot lefilmezniük, és a színkép-elemzés*** során szilíciumot, vasat és kalciumot találtak benne. Azonban vannak olyan gömbvillám megfigyelések, keletkezések, ahol nincs fémpor.
Plazmaelmélet: a gömbvillám egy forró, ionizált gázgömb (levegőplazma), amelyet a légkörben lévő elektromágneses terek stabilizálnak és tartanak egyben, és negatív differenciális ellenállás fűti.
Hidroxil gyök elmélet (Bencsik István) villámokból, láthatatlan elővillámokból, streamerfejekből keletkezik, pernye alkotta a Yukawa-porplazma felületi feszültséghaz hasonló jekensége tartja össze, a vízpára (az -OH gyökök) rekombinációs energiája fűti.
Elektromágneses és mikrohullámú elmélet (P.L. Kapica): a viharfelhők és a talaj között kialakuló intenzív elektromágneses sugárzás vagy a mikrohullámok egy energiagócot (állóhullám, és az erőtér gradiense tartja össze) hoznak létre a levegőben, ami ionizálja a gázokat.
Tar Domokos (víz-plazma / kettős réteg modell): 1954-es margitszigeti megfigyelése alapján kidolgozott elmélete szerint a gömbvillám egy forgó gáz- és gőzörvény, amelyet a villámcsapás csatornájából kilökődő, ionizált vízgőz alkot. A gömb stabilitását a külső felületén kialakuló elektromos kettős réteg (polarizált töltéselrendeződés) biztosítja.
Vízburok modell (D.B. Muldrew) a vízmolekulák extrém viselkedésén alapul. A gömbvillám magja egy magasan feltöltött ionizált gáz (plazma), amelyet egy külső, polarizált vízmolekulákból álló burok vesz körül. Muldrew szerint a villámcsapás hatására a vízcseppek olyan speciális struktúrába rendeződnek, amely szoba hőmérsékleten is képes megtartani az elektrosztatikus nyomást, megakadályozva a plazma azonnali robbanásszerű tágulását. Van az elméletnek rezgő változata is, differenciális ellenállás fűtéssel.*
Az új gömbelmélet, a gömb keletkezése
Az erős elektromos tér hatására a szervetlen pernye környezetében lévő gázmolekulák ionizálódnak. A hegyes kristályok hegyein kékesen világító zónák, úgynevezett (St. Elmo) koronakisülések jönnek létre. Az elektromos mező szabad elektronok és gázionok sokaságát hozza létre. A pozitív részecskék felületén szabad elektronok halmozódnak fel. A vezető tulajdonságú fémes oxidok elektromos megosztás révén polarizálódnak, a szigetelő jellegű szilikátok és egyéb ásványi fázisok dielektromos polarizációt szenvednek el. A térerősség vektora mentén a részecskék elmozdulnak, a vándorlást nevezzük migrációs sebességnek.
A szemcsék kialakulása: az elektromos megosztás és dielektromos polarizáció miatt a részecskék ellentétes pólusai (a fémes oxidok és a szilikátok) elkezdenek egymáshoz vonzódni. Mivel a rendszerben szabad elektronok és gázionok tömege van jelen, a részecskék felülete töltötté válik. Az azonos töltésűek taszítják, az ellentétesek vonzzák egymást, ami elindítja a porszemcsék összetapadását.
A térerősség vektora mentén mozognak a részecskék, (ez a migrációs sebesség). Vándorlás közben a kaotikusan mozgó, feltöltött porszemcsék folyamatosan egymásnak ütköznek. A mechanikai ütközések és a minden irányból ható elektrosztatikus vonzó-taszító erők eredője miatt a növekvő porcsomók elkezdenek gördülni, forogni a gázban. A mechanikus forgás és a töltések egyenletes felületi eloszlása a porhalmazt külsőleg gömb alakúvá formálja, hógolyó-effektus-nak nevezik az irodalomban. Oka, hogy a töltött részecskékből álló rendszer igyekszik a legkisebb energiaszintű állapotot felvenni. Ha afeltöltött porhalmaz amorf (szabálytalan) alakú lenne, a hegyes részeken koronakisülések jelennének meg, ami energiaveszteséggel (kisüléssel) járna. Arendszer stabilizálódása érdekében a töltések igyekeznek a lehető legegyenletesebben eloszlani a kialakuló porcsomó felületén. Az a geometriai forma, amelynek a felületén a töltéssűrűség teljesen egyenletes, és ahol nincs többé "hegyes kristály", ami kisülést okozna, a gömb. A folyamat végén a milliméteres vagy mikrométeres tartományba eső, polarizált porrészecskékből elektrosztatikusan összeállt, gömb alakú porhalmazok keletkeznek. A gömb alsó kritikus határát az elektromos térerősség határozza meg, ami kb. kb. 30 kV/cm. Ha a térerősség ez alatt a kritikus szint alatt marad, nincs ionizáció, nincs töltésfelhalmozódás, így nem indul meg az összetapadás gömbbé. A hegyes kristályok szerepe: mivel a pernye felületén "hegyes kristályok" vannak, ezek csúcsain geometriai térerősség-növekedés történik, így a lokális térerősség már jóval kisebb térerőnél is átlépi a kritikus határt, és beindul a kékesen világító koronakisülés (St. Elmo tüze). Ha a térerősséget túl magasra emeljük, a rendszer eléri a felső kritikus határt, ahol az elektromos mező már nem összetartja, hanem (Coulomb-taszítás) szétrombolja a kialakult gömböket. A Coulomb-féle taszítóerő legyőzi a részecskék közötti kohéziós (Van der Waals) és dielektromos vonzóerőket. A jelenséget a fizikában Rayleigh-instabilitásnak, vagy porrétegek esetén reionizációnak nevezik.
Száraz levegő esetén a levegő kiváló szigetelő. A porszemcsék felületén a töltések (szabad elektronok és ionok) magas koncentrációban halmozódnak fel, mert nem tudnak elszivárogni. A hegyes kristályok csúcsain a koronakisülés agresszívvá válik. A porcsomók felületi töltéssűrűsége gyorsan eléri a felső kritikus határt (Rayleigh-instabilitás). A Coulomb-taszítás miatt a kialakuló gömbök azonnal szétrobbannak, mielőtt makroszkopikus méretűvé növekednének.
Ha a rendszerben vízgőz (pára) is jelen van a por mellett, a folyamat fizikája jól szabályozottá válik. A vízpára molekulái megváltoztatják a gáz elektromos viselkedését és a por tulajdonságait. A pára segíti a koronakisülést, a vízgőz molekulái szabadon, gázként mozognak a porszemcsék között. A vízpárának sokkal nagyobb a dielektromos állandója és az elektron-affinitása, mint a tiszta levegőnek vagy a nitrogénnek. Amikor a térerő eléri az alsó kritikus határt (ami 30 kV/cm körüli), a gázmolekulák ionizálódnak. A vízpára jelenléte miatt az ionizáció sokkal stabilabb: a hegyes részeknél fellépő koronakisülés könnyebben és egyenletesebben tudja kibocsátani az elektronokat, és sok pozitív töltésű hegyes kristályion keletkezik. Az ionizált gázmolekulák (ionok) rátapadnak a vándorló porszemcsékre, megadva nekik a szükséges kezdőtöltést. A por fajlagos ellenállását csökkentik, a vízgőz molekulái képesek egy atomi vastagságú rétegben ráragadni a porszemcsék felületére. A párabevonat csökkenti a por elektromos ellenállását.
A porszemcsék felületén a töltések képesek a lehető legegyenletesebb felületi eloszlást felvenni, hogy a rendszer elérje a legkisebb energiaszintet. A „hógolyó-effektus” tisztán elektrosztatikus úton történik: a növekedés az elektrosztatikus és a Van der Waals erők egyensúlyán alapul. A gázáramban forgó, polarizált részecskék a felületi töltéskiegyenlítődés miatt vonzzák egymást. A gömbölyű alak felvétele ekkor a leggyorsabb, mert a csúcsokból a töltések a párás mikrokörnyezet miatt könnyebben elvándorolnak a gömb egyenletes felülete felé, megszüntetve a hegyes kristályszerkezeteket.
Mi történik a felső kritikus határnál, több száz fokon? Ha a térerősséget túl magasra emeljük forró, párás közegben, a Rayleigh-instabilitás azonnal fellép. Mivel a porfelület a pára miatt jól vezet, a töltések sűrűn halmozódnak fel a porgömb felszínén. Amint a Coulomb-taszítás legyőzi a száraz részecskék közötti kohéziós (Van der Waals) erőt, a gömb nem elpárolog vagy elolvad, hanem a hatalmas elektromos feszültség hatására porfelhőszerűen szétrobban/szétporlad, és kezdődhet a folyamat elölről.
Mi történik 1500 - 3000 K fokon a pernye szemcsékkel, amikor a villám a talajba csap, és pernye keletkezik, plazma állapotú a gömb, nagy térerősségnél? A pernye szennyezés alkotta Yukawa porplazma felületi feszültség szerű jelensége (Γ≈50) tartja össze a gömböt.
A gömb alak keletkezése és stabilitása: a gömbvillámok a „hógolyó-effektus” és a Yukawa porplazma tulajdonságai alapján jönnek létre. Az erős elektromos térben a részecskék koronakisülések hatására összetapadnak, szemcsésednek. A szabályos gömb alakot a rendszer legalacsonyabb energiaszintje biztosítja, ahol a töltéssűrűség egyenletes. Yukawa-porplazma 1500–3000 K hőmérsékleten effektív felületi energiája egyben tartja a képződményt, 50 körüli castolási tényezőnél. A folyamat gyors és összetett fizikai-kémiai láncreakció, amely során a hagyományos villámcsapás energiája egy önfenntartó, gömb alakú anyagszerkezetté alakul át. Amikor a vonalas villám a talajba csap, a becsapódási ponton fellépő nagy (több tízezer fokos) hőmérséklet elpárologtatja a földben található ásványokat, fémeket és egyéb összetevőket. A hirtelen lehűlő gőzökből nanométeres és mikrométeres tartományba eső szervetlen por- és pernyerészecskék (szilícium, vas, kalcium oxidjai) kondenzálódnak. A környező erős elektromos tér (~30 kV/cm felett) ionizálja a gázmolekulákat. Az így keletkező szabad elektronok rátapadnak a porszemcsékre, amelyek maguk is polarizálódnak. Mivel a porszemcsék azonos, pozitív töltésűek, taszítanák egymást, de a köztük lévő mikrokörnyezet (a negatív ionok és elektronok felhője) leárnyékolja a Coulomb-taszítást, az árnyékolást írja le a Yukawa-potenciál. Az árnyékolt potenciál egy olyan kohéziós erőt – effektív felületi energiát – eredményez a porhalmaz határán, amely a folyadékok felületi feszültségéhez hasonlóan működik. Ez a befelé mutató erő győzi le a belső elektrosztatikus nyomást, és kényszeríti az amorf porfelhőt a legkisebb energiaszintű geometriai formába: a gömbbe.
A spektrummérések alapján a természetes gömbvillámokról készített kínai spektrométeres adatok (ahol szilíciumot, vasat és kalciumot azonosítottak) azt mutatják, hogy a gömb külső rétege és a benne égő talajszemcsék átlagosan 2200 K és 4100 K (kb. 1920 °C és 3820 °C) között mozognak. A szakirodalom a stabilan lebegő gömbök maghőmérsékletét többnyire 1000 K és 3000 K (kb. 720 °C és 2720 °C) közé teszi. Bár az elektronok rendkívül forrók (akár több tízezer fokosak is lehetnek), a nehéz porszemcsék és a semleges gázmolekulák miatt a gömbvillám makroszkopikus, mérhető hőmérséklete ebben a pár ezer kelvines tartományban marad, a magas hőmérséklet magyarázza, hogy miért képes a gömbvillám a fémeket azonnal megolvasztani, ha érintkezésbe lép velük.
Következtetés
Autonóm gömb magyarázatot kerestünk, mint pl. a szilíciumos modellek, és a polarizált vízburok, aminek van felületi feszültsége. A gömb alak oka nem lehet egy ismeretlen eredetű centrális erőtér, ami egy új kölcsönhatás lenne**, ezért a modellek többsége megválaszolatlanul hagyja a gömb alak okát.
A legegyszerűbb feltételezés szerint az anyag szennyezett plazma, 1000 - 3000 Kelvines pernyével, vízpárával szennyezett Yukawa porplazma. A szennyezés fontos, mert a lebegés ideje alatt nagy a gömb energia-, hő-, és sugárzás vesztesége, és ezt a veszteséget a szennyezés kémiája biztosíthatja, lehetséges szennyezések a levegő anyagai, ezek ionjai, magas hőmérsékletű gyökei, összetevői (pernyék, és hidroxil gyökök, a vizsgálataink szerint) .A gömbök nettó töltése- a modellek szerint- meglepően kicsi, nC nagyságrendű.
A gömb anyaga szempontjából lényeges a kínai kutatók több mint egy évtizedes mérése. Létezik egy megfigyelt gömbvillám spektrum, ami alátámasztja a fém szennyező anyagok jelenlétét is: egy kínai kutatócsoportnak 2012-ben sikerült spektrométerrel megfigyelnie egy természetes gömbvillámot, és a spektrumában szilíciumot, vasat és kalciumot találtak.*** A pernye nagy szilíciumtartalma megfelel a spekrum-mérésnek.
Szennyezett levegőplazmák
Szennyezésként a talajban és a levegőben előforduló anyagokra lehet gondolni, első sorban pernyére, vízpárára, és laboratóriumi körülmények között szilíciumra. A pernyében is van szilícium. A szennyezett plazmák, a Yukawa-féle porplazmák egyik kedvező tulajdonsága, hogy egy, a felületi feszültséghez hasonló jelenséget mutatnak, ami a gömb alakért felelős lehet.
Egy másik kedvező tulajdonságuk, hogy a szennyező anyag a pára is lehet, amikor a hidroxil -OH gyök kiváló fűtőanyag, mert a rekombinációs folyamatnál nagy gömbökhöz is elegendő, és szabályozott hő szabadul fel, amitől lebeg a gömb.
Ez a modell (https://bencsik.rs3.hu/component/content/category/1051-para-alapu-goembvillam-modell.html?) magyarázatot ad arra is, hogy miért lebeg a gömbvillám. A semleges gázmolekulák, a gyökök szobahőmérsékletűek vagy annál hidegebbek is lehetnek, az elektronok forrók. Szilícium szennyezés esetén (az eredete a pernye) is működik a modell, amig kevés a szilícium, kb. 30-40 cm átmérőig, ha a szilícium a fűtőanyag, utána leesik. A pernye magyarázat a Yukawa porplazmára, míg az -OH gyök rekombinációja egy önszabályozó folyamat, és lebeghet a gömb.
Az -OH gyökök (a semleges hidroxil és az ionok) ismert keletkezései a villámoknál, az elővillámoknál (streamer-eknél) fordul elő. A streamerfejek jellemző értékei: elektromos térerősség 100 kV/cm és 200 kV/cm között mozog. a fej csúcsánál a lokális térerősség a nemlineáris tértöltés-koncentráció miatt erősen meghaladja a tiszta levegő makroszkopikus átütési szilárdságát (~ 30 kV/cm), és lehetővé teszi a gázok folyamatos ionizációját. A fej terjedési sebessége 10⁵ m/s és 10⁷ m/s (a fénysebesség 0,1% - 3%-a) között változik. Erősen függ a környező háttér-elektromos tértől, és a fejben az ionizáció mértékétől. A streamer fejnél az elővillám csatornában az elektronsűrűség eléri a 10¹³ - 10¹⁴ cm⁻³ értéket. A streamer fejben koncentrálódó izolált tértöltés nagyságrendileg 10⁸ - 10⁹ darab elemi töltés. A fej mögött kialakuló csatorna vezetőképessége ~ 10⁻² Ω⁻¹cm⁻¹ nagyságrendű, ami biztosítja a töltésutánpótlást a fej és a talaj között.
Talán a streamer (~100A, ~50m) gömbvillámmá alakulásával, a Young-Laplace egyenlet alapján magyarázatot kapunk a láthatatlan eredetű gömbvillámok keletkezésére és energiamérlegére. Ha az elővillám felső nem találkozik ellenkisüléssel, a streamer elektromosan elszigetelődik és függetlenné válhat a rendszertől. A mozgó streamer csúcsában nagy, 100–200 kV/cm-es elektromos térerősség és 10–20 eV energiájú, úgynevezett „forró” elektronok koncentrálódnak. A nagy energiasűrűség egy lokális plazmagömbben reked. A streamer fejben lévő forró elektronok a hatalmas térerő hatására felszakítják a levegőben található molekulák (szénvegyületek, pernye, vízpára, nitrogén, oxigén) kémiai kötéseit. Amikor a kémiai energia elkezd lassan, egyenletesen felszabadulni (rekombináció), folyamatosan fűti és fénylésre készteti a gömböt. A streamer-fej elmélet választ ad a két legfontosabb kérdésre: a plazmagömb a felületi feszültség miatt nem robban szét azonnal, hanem másodpercekig, néhány 10 másodpercig egyben marad, és az élettartamra is. A gömbvillámnak nincs szüksége külső energiaforrásra, mert a streamer fej a korábban elraktározott kémiai energiából tartja fenn önmagát. A lebegés feltétele, hogy az égés önszabályozó (visszacsatolt) legyen.
*Az AI-Gemini a következőkkel egészítette ki az elméleteket:
Rydberg-anyag elmélet: É. A. Sanmartin szerint a gömbvillám egy sűrű, erősen gerjesztett atomokból vagy molekulákból álló kondenzátum (úgynevezett Rydberg-anyag). Az anyagfázis magyarázatot adna arra, miért képes a gömb viszonylag hosszú ideig egyben maradni anélkül, hogy azonnal lehűlne.
Hidegfúziós / Nukleáris hipotézisek: néhány radikális kutató (például Matsumoto) szerint a villámcsapás helyszínén fellépő extrém elektromos terek képesek miniatűr magfúziós vagy más nukleáris reakciókat beindítani. Ez megmagyarázná a gömbök magas belső energiasűrűségét.
Hallucinációs (neurobiológiai) elméletek (mágneses stimuláció): Peer Peer és munkatársai (Innsbrucki Egyetem) felvetették, hogy a közeli villámcsapások által keltett mágneses terek stimulálják az emberi agy látókérgét. Az alanyok ekkor foszféneket (fényfelvillanásokat, lebegő fénygömböket) látnak, vagyis a gömbvillámok egy része valójában csak az agyban létező neurológiai illúzió.
Fény-buborék elmélet (optikai lokalizáció): Vlagyimir Torchigin elmélete szerint a gömbvillám nem plazma, hanem egy sűrített levegőből álló buborék, amelybe intenzív lézerszerű fény (intenzív elektromágneses sugárzás) záródott be. A fény a saját maga által keltett légsűrűség-változásban (görbült térfogatban) kering körbe-körbe, mint egy optikai csapdában.
Relativisztikus elektron-lavina (Runaway Breakdown): Gurevics elmélete, a kozmikus sugárzás és a viharfelhők elektromos mezői által felgyorsított, fénysebesség-közeli elektronok lokális energiagócot hozhatnak létre a levegőben.
Töltött aeroszol - akkumulátor elmélet: Sokan (például Borisz Szmirnov) úgy vélik, hogy a gömbvillám egy erősen feltöltött, finomszemcsés aeroszolfelhő (vízcseppek, korom, füst vagy por), ahol az elektrosztatikus vonzás és taszítás egyensúlya tartja fenn a gömbformát, a kémiai energia pedig lassan szabadul fel.
Egely György szerint a gömbvillám egy negyedik dimenziós vagy téridő-struktúrából (esetleg vákuumenergiából) meríti az energiáját parametrikus rezonancia révén, ami elegendő az intenzív sugárzásokhoz.
A "Fekete lyuk" hipotézis: néhány elméleti fizikus felvetette, hogy a gömbvillámok a világűr felől érkező, mikroszkopikus méretű, ősrobbanásból visszamaradt fekete lyukak, amelyek kölcsönhatásba lépnek a földi légkörrel (az elmélet ma már inkább tudományos kuriózumnak számít).
Shankar-skyrmion, vagyis egy olyan háromdimenziós, csomózott kvantum-topológiai szoliton (stabil hullámcsomag) a gömbvillám, ahol az elektromágneses terek erővonalai egy zárt, kibogozhatatlan és önmagát stabilizáló hurokrendszert alkotnak.
Antianyag-csomó hipotézis: bár nehezen bizonyítható, a nagymértékű energiakoncentrációt magyarázó elmélet a fizika határait feszegeti. Neil Ashby és Colin Whitehead professzorok szerint a gömbvillámokat a kozmoszból a légkörbe lépő, mikroszkopikus méretű antianyag-meteoritos porrészecskék (vagy axion-kvark-antianyag rögök) annihilációja táplálja. A légkör normál anyaga és az antianyag találkozásakor folyamatos, lassú annihiláció zajlik, amely fénylő plazmaburkot von a részecske köré.
Kémiai lumineszcencia és ózon-elmélet: a szilícium-gőz elmélet alternatívája olyan környezetekre, ahol nem található fémes por a talajban. David Turner és más kutatók szerint a villámcsapás által keltett lokális hullám nagy mennyiségű ózont és nitrogén-oxidokat hoz létre. melyek sűrű gázgömbbé állnak össze, és a bennük zajló, elnyújtott idejű kémiai reakciókból származó, hideg fénykibocsátású folyamatok miatt világítanak.
Tesla szerint a gömbvillámot nem a kezdeti energia tartja életben, hanem a környező tér nagyfrekvenciás gázkisülései. A gömb olyan pont a térben, ahol a gáz ellenállása lokálisan összeomlott, így a környező elektromos tér energiája ebben a fókuszpontban koncentrálódik és sül ki folyamatosan.
Finkelstein–Rubinstein féle szoliton elmélet: egy nemlineáris plazmahullámként – azaz szolitonként – modellezzék. Úgy vélték, a környező légnyomás és a belső elektromágneses terek nemlineáris kölcsönhatása hoz létre egy önmagát fenntartó, stabil "plazma-csomót" (szolitont).
P.N. Milonni felvetette, hogy kozmikus eredetű, vagy a villámcsapás extrém energiája által keltett instabil mágneses monopólusok (vagy Dirac-monopólusok) csapdába eshetnek a légkörben. A környező anyaggal való kölcsönhatásuk és az anyag annihilációhoz hasonló gerjesztése hozza létre a fénylő gömböt.
Kémiai akkumulátor + Elektrosztatikus szendvics-modell: J.J. Lowke ausztrál fizikus elmélete némileg finomítja a Szmirnov-féle aeroszol modellt, de kifejezetten az ablaküvegeken való áthatolásra fókuszál. A gömbvillám valójában nem hordoz belső energiát, hanem a viharfelhőkből a talaj felé szivárgó elektromos áram (a talajhoz kötött korona-kisülés) jelöli ki a helyét. Amikor ez az áram átfolyik egy szűk keresztmetszeten (pl. ablaküveg vagy légrés), az ionok felhalmozódnak az üveg két oldalán, és egy "gömb" alakú elektromos mezőt hoznak létre, ami a szoba belső levegőjét ionizálja. Ez magyarázza, miért tűnik úgy, mintha átmenne az üvegen.
Koaxiális kábel / Hullámvezető elmélet (Gaunt-féle modell), ami Kapica mikrohullámú elméletének egy variációja. A vonalas villámcsapás maga után hagy egy ionizált, jól vezető gázcsatornát (mint egy koaxiális kábel belső vezetéke). A csatorna vezeti a felhőből érkező rádiófrekvenciás hullámokat. Ahol ez a csatorna véget ér vagy megtörik, ott az energia kicsatolódik, és egy lokális, önfenntartó elektromágneses gömböt (gömbvillámot) hoz létre.
"Légköri lézer" vagy stimulált emissziós modell: Egyes elméletek szerint a villámcsapás gerjeszti a levegő molekuláit (főleg a nitrogént és az oxigént), populációinverziót hozva létre. A gömbvillám egy olyan lokális optikai üregként (cavity) működik, ahol a fény körbe-körbe verődik a sűrűségkülönbségek határfelületén, és stimulált emisszió (lézerhatás) révén bocsát ki folyamatosan fényt.
Plazmoid polimerizációs elmélet (Mescerjakov-féle megközelítés) A villámcsapásban lévő szerves anyagok (pl. füst, korom, növényi részek) és a plazma kölcsönhatásba lépnek egymással. A töltött részecskék hálószerű, rugalmas, "makroszkopikus" polimer-szerkezetet alkotnak. Ez a rugalmas háló tartja egyben a plazmát, ami miatt a gömb pattan az aszfalton vagy visszanyeri az alakját, ha akadályba ütközik.
**
A „lex parsimoniae”
Arisztotelész a Posterior Analytics című művében ezt írja : „Feltételezhetjük ceteris paribus [minden más tényező változatlansága] mellett annak a bizonyításnak a felsőbbrendűségét, amely kevesebb posztulátumból vagy hipotézisből származik.”
Az "egyszerűség elve" jól működik: két, az adott jelenséget egyformán jól leíró magyarázat közül az egyszerűbbet érdemes választani. (Latinul „lex parsimoniae”, azaz a „tömörség elve”, azaz „Csak szükség esetén feltételezzük a sokféleséget”.) A természetes gondolkozás (józan paraszti ész, mérése NQ), a józan emberi vélemények azért egyeznek, mert közel azonos alapokról valaki ugyanarra a következtetésekre jut, amennyiben a gondolkozása természetes. A "józan ész" alapú AI lényege, hogy olyan bonyolult problémákra adnak gyors és egyszerű, heurisztikus, kis hardver igényű, de közel kauzális értékű választ, amikor a tökéletes (optimális) megoldás kiszámítása időigényes vagy technikai okokból, az adatbázis mérete miatt, nehéz. A józan ész válaszai a "Miért?" kérdésekre nem feltétlenül tudományos elemzések, hanem tapasztalatokon, sok megfigyelésen, véletlen keresésen alapulnak, pl. az időjárással kapcsolatos megfigyelések esetén, de általában egybe esnek a tudományos érveléssel.
***
[Cen, J., Yuan, P., & Xue, S. (2014). Observation of the optical and spectral characteristics of ball lightning. Physical Review Letters, 112(3), Article 035001. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.035001
Cen, Jianyong; Yuan, Ping; Xue, Simin (2014. január 17.). „Gömbvillám optikai és spektrális jellemzőinek megfigyelése”. Physical Review Letters .112(3) 035001.Bibcode:2014PhRvL.112c5001C.doi:10.1103/PhysRevLett.112.035001.PMID24484145].
A 2012-es kínai kutatás adat elemzése alapján a gömb külső rétege, és a benne égő talajszemcsék (szilícium, vas, kalcium) csak átlagosan 2200 és 4100 K- fok körüliek lehettek. A levegőben előforduló gyakori "szennyező anyag" a vízpára (és a szén, a szénvegyületek, melyek túl gyorsan égnek), amit a kínai kutatók nem vizsgáltak.
Egy gömbvillám spektruma, de a megfigyelések szerit keletkeznek úgy gömbvillámok, hogy a fémeket. mint alkotó elemeket kizárhatjuk.
(Forrás: https://en.wikipedia.org/wiki/Ball_lightning)
****
A 2010-es végére elfogadott lett az Abrahamson-Dinniss elmélet, mely szerint a talajba csapó vonalas villám hője elpárologtatja a földben lévő szilikát ásványokat. A homokot, a szilícium-dioxidot a talajban lévő elemi szén redukálja, tiszta szilícium keletkezik, és az elpárolgó szilícium nanovázat alkot, és a levegő oxigénjével reagálva lassan ég, világít. A nanováz rugalmasságával, alakjával, merevségével kapcsolatban merültek fel kifogások (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10676954/, John Abrahamson & James Dinniss: Ball lightning caused by oxidation of nanoparticle networks from normal lightning strikes on soil. Nature, Volume 403, Issue 6769, pp. 519–521., 2000. February 3.) Érdekesség, hogy vas és kalcium alapú modellek nincsenek.
A laboratóriumokban sikerült szilíciumból világító gömböket előállítani. A Max Plank Intézet kísérleteinek érdekessége, hogy a gömbök előállítása minden esetben víz jelenlétében történt. A nagyfeszültségű kisülések a víz felületén vagy a víz alatt történtek. A elektromos ív elpárologtatja és ionizálja a vízmolekulákat, létrehozva egy átmeneti plazmafelhőt. A legújabb mérések szerint a világító gömb belsejét vizes aeroszol tölti ki. A vízcseppek és a szilícium-dioxid nanorészecskék elektromos töltései összetartják a gömb szerkezetét, megakadályozva, hogy a plazma azonnal szétterjedjen, a tiszta plazma a másodperc ezredrésze alatt eltűnne. A vízgőz és a szilícium reakciója, valamint a környező nedves levegő (70%-os páratartalom az ideális) lassítja az oxidációs folyamatot, és lehetővé teszi, hogy a gömbök 0,5–8 másodpercig világítsanak és mozogjanak. A kísérleteknél probléma, hogy a szilícium túl gyorsan ég, és túl nehéz. Modellezéssel bizonyítható 80 cm átmérőjű, vagy 80 másodperces gömb nem hozható létre, mert kialszik, vagy leesik, ekkor a gömb nettó töltése csak néhány pikoC. A mérések és modellek szerint ez a minimális elektromos töltés felelős azért, hogy a gömb külső burkát alkotó, lazán kapcsolódó szilícium-dioxid nanorészecskék elektrosztatikusan a belső szilícium maghoz kötődjenek. A elektromos kölcsönhatás hozza létre azt a porózus hálószerű szerkezetet, vizes aeroszollal keveredve, amely nem engedi a plazmát azonnal szétoszlani, és biztosítja a szerkezeti stabilitását a másodpercekig tartó életartama alatt. Amint a vízcseppek elfogynak, megszűnik a töltések közötti összetartó erő, és a gömböt tartó szerkezet szétesik.
