A GÖMBVILLÁM LEÍRÁSA

 
 
 
A GÖMBVILLÁM LEÍRÁSA
 
 
 
(2024 június)
 
 

 


 
ABSTRACT
A gömbvillámhoz hasonló légköri jelenségek gázok ionizációjával kapcsolatosak: a parázsfény, az ívfény és a sarki fény. Levegő esetén a jelenségek színét ionizált oxigén és nitrogén atomok okozzák. A  koronakisülés, a parázsfény -amit a levegő helyhez kötött ütközéses ionizációja okoz, más néven Szent Elmo tüze-, továbbá az ívfénynekis jellemzője a plazma negatív (dinamikus) ellenállású állapota: gömvillám stabilitási feltétele. A negatív ellenállású állapotban a feszültség csökkenésekor nőne az áramerősség, azaz az ionok száma, ha a rekombináció és a részecskék szabad úthossza nem korlátozná.
Az elektromos légköri feszültség több tízezer Volt/centiméter is lehet, ami ionizálja a levegőben az oxigént, nitrogént. A villámok fizikájában leírt jelenség, hogy léteznek a Földről induló színes ioncsatornák. Nehezen, de fotózhatóak, de csak a nagysebességű kamera felvételein észlelhetőek, nem a felhővillámok részei. A Földről induló ioncsatornákat ionizált oxigén és nitrogén atomok alkotják, azaz a gömbvillámok  forrásai a feltételezésünk szerint. Ha a légköri feszültség elegendően nagy, és ha az ionok elegendő számban jöttek létre, létre jön az ioncsatorna negatív ellenállású állapota, parázsfényként, koronakisülésként ismerjük, a gönbvillám felületén is jellemző lehet. 
A koronakisülésnél az elektron lavinák ütközéses ionizációt okoznak, a folyamat önmagát gerjeszti, létrejön egy negatív ellenállású állapot, ami csökkenő feszültségnél is növeli az elektron lavinák intenzitását. Ha elegendően nagy a légköri feszültség, akkor a csatorna függetlenné válik a külső feszültségtől, ez egy másik negatív ellenállású állapot a nagyobb légköri feszültségnél, amit termikus emisszió jellemez. A termikus emisszió növeli az elektronok mozgékonyságát, a plazma szabadon lebeg. Az ívfény negatív ellenállású jelenségével magyarázzuk a gömbvillámok  stabilitását. A gömb középen a legintenzívebb a termikus emisszió, ami a felfújódó gömb alak egyik oka, a felületén parázsfény lehet majd rekombinálódnak a szétáramló részecskék.
// A POSSIBLE DESCRIPTION OF A BALL LIGHTNING: A SPHERICAL  AURORA, A ball lightning is not measurable, but similar atmospheric phenomena are related to the ionisation of gases: glowing embers, arc light and aurora. In air, the colours of the phenomenon are caused by ionised oxygen and nitrogen atoms. The main characteristics of corona discharge glow, which is the stationary collisional ionisation of air, also known as St Elmo's fire, and arc glow are that they are negative resistance states of the plasma: the current also increases as the voltage decreases. So there is a description and stability condition without assuming a central force field.
The atmospheric electric potential can be tens of thousands of volts per centimetre, which ionises oxygen and nitrogen in the air. The phenomenon described in the physics of lightning, that there are colored ion channels emanating from the Earth, is difficult but photographic. They are only detectable in high-speed camera images, they collapse, they are not part of cloud lightning. Ion channels from the Earth are thought to be the source of ionised oxygen and nitrogen atoms, the flowing ion clouds of the globular lightning. If the atmospheric pressure is sufficiently high, and if a sufficient number of ions have been created, the ion channel stabilises in the negative-resistance state, known as a glowing ember, or corona discharge.
In corona discharge, the electron avalanches cause collisional ionisation, a self-excited process that creates a negative resistive state, which increases the intensity of the electron avalanches even at decreasing voltages. If the atmospheric voltage is sufficiently high, the channel becomes independent of the external voltage, another negative resistance state, characterised by thermal emission. Thermal emission increases the mobility of the electrons, the plasma starts to float freely. The negative resistance phenomenon of arc light explains the formation and stability of spherical lightning. The thermal emission is most intense in the centre of the sphere, which is one of the reasons for the inflating spherical shape, recombining the dissipating particles on its surface.
 
 
 
 
 
 
 
BEVEZETÉS
A kutatás eszköze az internetes keresés volt, egy szép kis demo-videó: https://www.youtube.com/watch?v=1bBNeyrMOJE. A gömbvillámoknak a fizika sok témakörét lefedő, számos magyarázata* létezik. A hipotézisek centrális erőtereket, vagy ritkán elő forduló részecskéket feltételeznek, és nem elfogadott magyarázatok. A gömbvillám légköri jelenség, a feltételezésünk szerint a levegő ionjai és elektronok alkotják a gömbvillámokat, és a gázkisülések jelenségeivel leírhatóak. 
A koronakisülés színes, közel gömbszerű légköri ionizációs jelenség, de a ionjainak forrása a természetben helyhez kötött, jellemzője a parázsfény. Mesterséges előállítása tűelektródákkal történik, előállításához nagyfeszültség szükséges, elektron lavinák okozzák az ionizációt. A parázsfény (a gyújtási feszültségnél) nagyobb feszültségeknél ívfénnyé alakul laboratóriumi körülmények között.
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.
 Gyors elektronok, a termikus emisszióval keltett ionok okozzák az ívfényt és a gömbvillámot. A légköri feszültség elegendően nagy értékénél önfenntartó plazma alakul ki, ami negatív ellenállású állapot, csökkenő ívfeszültségnél is nő az áram, az elektronok mozgékonysága, az energiamegmaradás szerinti korlátokon belül. A hőmérséklet emelkedés miatt kialakul a megfigyelt felfújódó gömb alak, melynek a felületén rekombinálódnak az ionok.
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 nagysebességű kamera felvételein észlelhető. Nedves levegőben az elektron lavina megindulásához körülbelül 100 kV/m  elektromos térre van szükség, alul mellékeltünk egy képet az ioncsatornáról). A felhőből kiinduló csatorna pedig általában fehér színű." A Földről induló, nehezen észrevehető ioncsatorna összeomlik, ha nem találkozik a felülről induló ioncsatornával, villámmal. (https://en.wikipedia.org/wiki/Lightning). 
Az ívkisülés ismert jelenségével, termikus emisszióval és negatív ellenállással magyarázzuk a gömbvillámok stabilitását. A rekombináció, a felhő hőmérséklete okozzák a gömb alakot. A jelenség kialakulásának energiáját az elektromos légköri feszültség biztosítja, de a gömbvillám már nem függ a légköri feszültségtől, és makroszkopikusan elektromosan semleges. Megszűnését a rekombináció és az energiamegmaradás okozza.
 
A gömbvillám összefoglaló leírása: a forrásai a földfelületről induló, nehezen észrevehető  ioncsatornák. Az ionok a Föld felszínéről származnak, a légköri feszültség hozza létre a csatornákat. A csatornák nem stabil jelenségek, ütközéses ionizáció a jellemzőjük. 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 elszakad, néhány 10 másodpercre stabil jelenség, a megmaradási törvényeknek megfelelően. Magas (közel 10 000 Kelvin fokos) hőmérséklet, felfújódás, rekombináció és skinhatás jellemzi a gömbvillámot. Az elővillámok 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 annyi ion rekombinálódik, amennyi a belsejében keletkezik a termikus emisszió következtében egyensúlyi állapotban. A nyomás és a hőmérséklet jó közelítéssel állandó (a hőmérséklet lassan csökken a sugárirányban és időben a hőveszteség miatt) a gömbvillám belsejében. Külső energiaforrás nélkül saját energiáját fogyasztva hűl, erős az elektromágneses (fény, hő) vesztesége, a részecskék rekombinálódnak, és összeomlik az ívgömb a gyújtásfeszültség alatt. 
A alakját a gyújtásfeszültség határozza meg: a gyújtásfeszültség felett a belsejében az ionizáció jellemző. A felületén, a gyújtásfeszültség alatt pedig a rekombináció a jellemző, a kihűlés következménye a szimmetrikus gömbalak. Az ionok radiális sűrűségeloszlása függvénye a még nem ionizált oxigén és nitrogén molekulák szabad úthosszának a felületétől.

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:

1200px Color temperature.svg

Szinhőmérsékletek: (https://hu.wikipedia.org/wiki/Sz%C3%ADnh%C5%91m%C3%A9rs%C3%A9klet)

 

A KORONAKISŰLÉS, ÍVFÉNY

A gömbvillámok keletkezésének fizikai modellezésére egy ismert jelenséget 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 a koronakisülés 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 korona fényét az okozza, hogy az elektronok pozitív ionokkal rekombinálódva semleges atomokat alkotnak,  amikor az elektron visszatér az eredeti energiaszintjére, fotonokat bocsát ki.

Elég nagy légköri feszültségnél afolyamat önmagát gerjeszti és függetlenné válik a külső feszültségtől (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). 

slide 8
 
A függőleges tengelyen az áram logaritmusa, Amperben (https://www.vilaglex.hu/Fizika/Html/Gazkisul_.htm)
 
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 kapcsolatos. A termikus ionozációval a rekombináció tart egyensúlyt. Lényeges lépés 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 jön létre.  
 
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, nem gömbvillám. A folyamat légköri nyomáson történik. 
 
Elegendően nagy légköri feszültségnél a termikus emisszió miatt az ioncsatorna koronakisülése önfenntartó ívkisülésbe megy át. Megszakad a kapcsolata a talajjal, és az önálló, lebegő gömbvillámhoz nem szükséges a továbbiakban a légköri feszültségkölönbség. A hőmérséklet elegendő a gázmolekulák elektronjainak termikus emissziójához, felfújódó gömb alak jellemző és negatív ellenállás negatív ellenállás a gyújtásfeszültség felett, a felületen rekombinálódnak az ionok. Ez a magas hőmérsékletű ívkisülés szakasza, a meleg plazma állapot, ld. a videót: https://www.youtube.com/watch?v=1bBNeyrMOJE. 
 
Feltehető sugár menti eloszlások: a gömb mérete, térfogata, nyomása közel állandó, az ionok száma időben lassan csökken a rekombináció következtéen. A hőmérséklet csökken sugárirányban és az időben is, a hőveszteség miatt. A felületén az elektronlavínák (parázsfény) lehet a jellemző, a kisebb hőmérsékletnek és a megfigyeléseknek megfelelően. Külső energiaforrás nélkül saját energiáját fogyasztva hűl, erős az elektromágneses (fény, hő) vesztesége, majd a gyújtásfeszültség alatt összeomlik az ívgömb.  
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 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. (Az ionok mozgása szupravezetés esetén is kutatás tárgya: https://www.popularmechanics.com/science/a62121695/edge-state-atoms-energy-transmission/)
 
  
 
 
Upwards streamer from pool cover
 
 
A másodlagos ioncsatorna, elővillám parázsfénnyel (Upwards streamer emanating from the top of a pool cover, https://en.wikipedia.org/wiki/Lightning#cite_ref-57)
 
 
 
 
 
 
*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).
- Nicola Tesla talán előállított gömbvillámot (https://en.wikipedia.org/wiki/Colorado_Springs_Notes,_1899%E2%80%931900), nagyfeszültségű és nagyfrekvenciás eszközökkel kísérletezett. 
- A Max Planc Intézetben (https://phys.org/news/2006-06-physicists-ball-lightning-lab.html) nagy áramerősségű ívvel állítottak elő plazmát, de rövid időre, a gömbvillámok élettartamához viszonyítva.
- Brazil, újzélandi kutatók szilícium elpárologtatásával kisérelték meg           az előállítását (https://index.hu/tudomany/villam070112/, http://aparadox.hupont.hu/19/05-brazil-gombvillam). A szikrák mindig tartamazzák az elektrodák darabkáit vagy azok gőzeit. Mikrohullámú előállítási kísérletek is történtek (https://www.nature.com/articles/srep28263). 
- 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, 
- Létezik továbbá egy sor olyan elképzelés, amelyeket nem lehet és nem is szabad komolyan venni.
-  (https://web.archive.org/web/20050224120205/http://www.sulinet.hu/termeszetvilaga/archiv/2000/0015/21.html) 
 
 
**Megfigyelt jellemzők, felsorolás (https://en.wikipedia.org/wiki/Ball_lightning):
- 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 a talajba csapott villám szennyezései.