A gömbvillámok az elővillámok csúcsaiból keletkeznek

 

 

A gömbvillámok megfejtése 

 

 

(Bencsik István, 2026 június 2)

 

 

A gömbvillám keletkezésének és fűtésének modellezése elővillámok (atreamer) csúcsokon történö, többségükben szénvegyületek disszociációja, a Yukawa-szemcséi  és negatív differenciális ellenállása alapján

 A gömbvillám évszázadok óta a plazmafizika egyik rejtélyes jelensége, különösen a gömbi stabilitás és a hosszan tartó (másodperces nagyságrendű) autonóm energiatermelés szempontjából. A dolgozat egy új modellt mutat be, amelyben a jelenség kiváltó oka a láthatalan streamer-csatornáról leváló elővillám streamer csúcs (streamer head). A modell szerint a mozgó streamer csúcsban koncentrált nagy elektromos térerő, 100–200 kV/cm, és a nagy energiájú, „forró” elektronok, 10–20 eV, a nanoszekundumos időskálán hatékonyan bontják (disszociálják) a környezetben jelen lévő vegyületeket, első sorban szénvegyületeket (metánt, szén-dioxidot és szerves porszemcséket), ami egy reaktív atomi és gyökökből álló „kémiai keveréket” hoz létre.

A külső térerő megszűnésével a plazma gáznemű szétoszlását és az azonnali kisülést a rendszer belső negatív differenciális ellenállása és a Yukawa-plazma akadályozza meg, amit a keletkező nanorészecskék (korom, fullerének) elektroncsapdázási folyamatai is erősítenek, és egy zárt, gömbszimmetrikus áram- és töltésstruktúrába (gömbvillámba) kényszerítik a plazmát. Egy erősen csatolt nanorészecskés porplazma alakul ki, amelyben a Yukawa-szemcsék és a kémiai energiafelszabadulás együtt biztosítják a néhány másodperces fennmaradást. A gömbvillám másodperces élettartamát (tipikusan 1–30 s) és stabil belső hőmérsékletét (1300–3500 °K) a disszociált szénvegyületek és nanorészecskék lassú, exoterm felületi oxidációja és rekombinációja tartja fenn. Az anyagok égése térfogattól és koncentrációtól függően mintegy 0,1–20 kJ energiatárolást tesz lehetővé, ami megmagyarázza a megfigyelt fényjelenségeket külső energiaforrás jelenléte nélkül is. A hipotézis igazolása szempontjából a döntő kísérlet a streamer-kisülésben a nanorészecskék kimutatása lenne!

 

Abstract

 Modeling Ball Lightning Formation and Heating Mechanisms via Carbon Compound Dissociation and Negative Differential Resistance (NDR) in Isolated Streamer Heads

Ball lightning remains one of the most elusive phenomena in plasma physics, particularly regarding its spatial localization and sustained autonomous energy supply over several seconds. This paper proposes a novel, non-thermal theoretical model where the phenomenon is directly triggered by an isolated streamer head detaching from the main lightning channel.According to the model, the extreme localized electric field 100–200 kV/cm  and high-energy "hot" electrons 10–20  eV  concentrated within the advancing streamer head efficiently dissociate ambient carbon compounds (e.g., methane, carbon dioxide, and organic dust) on a nanosecond timescale. This process creates a highly reactive "chemical mixture or battery" composed of free atoms and radicals within a confined volume.Upon the decay of the external electric field, the hydrodynamic dissipation and instantaneous quenching of the plasma are prevented by the system's intrinsic Negative Differential Resistance (NDR). Enhanced by electron-trapping processes on newly formed carbon nanoparticles (soot, fullerenes), the NDR confines the plasma into a closed, spherically symmetric current and charge structure (ball). A strongly coupled carbon nanoparticle dust plasma is formed, in which Yukawa charge separation and chemical energy release together ensure its survival for a few seconds. The multi-second lifetime 1–30 s and stable internal temperature 1500–3500 °C of the ball lightning are maintained by the slow, exothermic surface oxidation and recombination of the dissociated carbon species. This chemical heating mechanism provides a total energy storage of approximately 0,1–20 kJ depending on volume and concentration, perfectly accounting for the observed luminescence without requiring an external power source. The main experiment for proving the hypothesis would be the detection of nanoparticles in the streamer discharge!

 

 

 

Bevezetés 

A streamerek többnyire a talajról induló elővillámok, -a csúcsaik a gömvillámok eredetei-, de nem csak a földfelszínen keletkeznek. Leggyakrabban a földfelszíni tárgyakból (fák tetejéről, villámhárítókról, épületekről) kiinduló, felfelé törekvő pozitív elővillámokként tudunk róluk, a streamerek valójában magában a levegőben, a zivatarfelhők belsejében és a magaslégkörben is folyamatosan létrejönnek.  A zivatarfelhők belsejében és alján pl., a felhőből lefelé induló, úgynevezett lépcsős elővillám (stepped leader) terjedését is apró, gyorsan és szakaszosan kialakuló streamer-kisülések (ionizációs hullámok) készítik elő a szabad levegőben. Ipari környezetben, laboratóriumok, távvezetékeknél: a magasfeszültségű berendezéseknél, transzformátoroknál vagy elektromos távvezetékeknél a vezetékek körüli erős elektromos tér miatt a földfelszíntől teljesen függetlenül, a szabad levegőben is létrejönnek streamer-kisülések, nem azonosak a koronakisülésekkel. Amikor a felhőből lefelé tartó villámcsatorna megközelíti a talajt, a földfelszíni tárgyak csúcsain hirtelen megugrik az elektromos térerősség, eekor a fákból vagy épületekből látványos, ecsetszerű felfelé induló streamerek törnek ki, hogy találkozzanak a lefelé jövő villámmal. Mivel a villámcsapás helyét a talajközeli találkozás dönti el, a villámvédelemben ezt a folyamatot hangsúlyozzák.

 

 

 

 

Alsó, elágazó, pozitív, és sok méteres streamer elővillámok  (https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S016980951730652X) 

 

 

A streamer sematikus rajza terjedés közben, átmérője 2 - 3 mm

A fénysebesség 0.1 -1 % -ával mozgó pozizív töltésfelhő a csúcsa a döntő, ami mögött egy jól vezető, "földelő" plazmacsatorna van. A streamer növekedését a csúcsánál lévő elektronlavinák táplálják. A térerősség a csúcsban felerősödik, és messze meghaladja a levegő átütési pontját (a kb. 30 kV/cm-t). A fotoionizáció : a forró plazma ultraibolya (UV) fényt bocsát ki, ami a streamer csúcsán túl a levegőben kiszabadít néhány mag-elektront a gázmolekulákból, melyekből lavina alakulhat.

Ha por (bármilyen, valószínűleg szerves fa-, cellulóz-, műanyagpor) elnyeli az elektronokat, a lavinafolyamat lelassul vagy teljesen leáll, kialakulhat a gömbvillám. Kritikus a szálló por jelenléte: a porrészecskék befogják a fotoionizáció során született mag-elektronokat, még mielőtt azok elindíthatnák az exponenciális lavinát. Ha nincs elektronlavina, a streamer „motorja” lefullad, és a növekedés megáll.

(A kép forrása: Donglin Liu, Qiang Liu, Zhongdong Wang, Journal of Physics D: Applied Physics, Jan. 2021)

Ha a gömbvillám egy streamercsúcsból alakul ki, és hurokáramok, mágneses terek nélkül. A megfigyelt gömbvillámok néhány  másodpercekig, 10 másodpercekig élhetnek, addig a szokásos plazmák gyorsan szétesnek. Töltött aeroszolok vagy porszemcsékből  a streamerek nanorészecsés Yukawa-típusú porplazmát hozhatnak létre, aminek van a felületi feszültséghez hasonló jelensége, de az elégő -pl szilícumpor- is általában kevés, vagy alig elegendő az esetleg több 100 Joule-os gömvillámok fűtéséhez. A megfigyelések alapján pedig a vízpára sem tűnik kötelező feltételnek. 

A streamer → porplazma → gömbvillám elképzelés akkor lehet helyes, ha a  stabil állapotot töltött porszemcsék és a Yukawa-kölcsönhatások biztosítják. Ekkor a kérdés az, hogy a streamer által létrehozott porplazma sűrűsége és töltése elegendő-e a sok másodperces stabilitás fenntartásához? Ha elegendően sok lenne a fémpor, akkor a gömbvillám leesne! Az új modell csak akkor működik, ha a streamer környezetében eleve magas a szerves porszemcsék, korom vagy szénhidrogének koncentrációja (például egy erdőtűz közelében, mocsaras vidéken vagy poros szobában), a modell olyan környezetben működik hatékonyan, ahol a valami, a szél már eleve felkavarta és koncentrálta a környezeti aerosolokat (szerves por, pollen, korom).

 

A negatív differenciális ellenállás segíti, de önmagában még az nem biztosítja a sok másodperces stabilitást. Amikor egy streamerből kialakuló porplazma rendelkezik azzal a tulajdonsággal, hogy az áramerősség növekedésével a feszültségesés csökken, akkor létrejön egy önszabályozó állapot:

- ha a plazma lehűl és a vezetőképesség csökken, a nagyobb elektromos tér több energiát juttathat bele;
- ha a plazma túlzottan felmelegszik és kitágul, a vezetőképesség nőhet, az elektromos tér csökkenhet, és a fűtés mérséklődhet.

De a negatív differenciális ellenállás nem fedezi a sugárzási veszteséget, hőveszteséget a környezet felé, melyekhez energiaforrás szükséges. és külső energiaforrást nem tételezünk fel. Egy érdekes kombináció: Yukawa-folyadék + rekombinációs energia + NDR.

Ekkor: a rekombináció szolgáltatná az energiát, ami sajnos kevés,

az NDR szabályozná a teljesítményt,
a Yukawa-kölcsönhatás biztosítaná a mechanikai kohéziót.  A rekombinációs energia nem elegendő a másodpercekig vagy akár tíz másodpercig fenntartani a megfigyelt fényességet. 

 

Egy modell akkor működik, ha a porplazma:

stabil szerkezetet ad (Yukawa-kohézió, a felületi feszültséghez hasonló),
negatív differenciális ellenállás révén önszabályozó,
és közben egy lassú, folyamatos energiafelszabadulási, égési folyamat működik.

 

A  por talajeredete alapján majdnem nincs reális kémiai energiaforrás. Ha  a streamer a talajból, növényi anyagból vagy szerves aeroszolokból szakítana ki részecskéket, akkor az oxidáció energiatartalma sok nagyságrenddel meghaladhatná a rekombinációs energiatartalmat. Ha viszont a por főleg ásványi, már oxidált anyag (pl. SiO₂, Al₂O₃), akkor ez a lehetőség igen korlátozott! Továbbá ha a gömbvillámok szabad levegőben, a talajtól távol is kialakulnak (amiről vannak beszámolók), akkor a tisztán kémiai energiaforrásokra épülő modellek nem elégségesek.

 

 

Ötlet: a levegő CO₂ -je nagyságrendileg:

2000–3000 K: a CO₂ még lényegében semleges.
3000–5000 K: a CO₂ molekulák bomlani kezdenek CO-ra és O-ra.
5000–10000 K: jelentős disszociáció, de még kevés ionizáció.
10000–20000 K: már számottevő ionizáció jelenhet meg.
20000 K felett: egyre inkább plazmajellegű állapot.

Villámcsatornákban a hőmérséklet gyakran: 20 000–30 000 K, és néha még magasabb, ezért ott a CO₂ bomlása és részleges ionizációja természetes. A 2000–4000 K körüli porplazmában a CO₂ már erősen disszociál, a disszociációs energia fűtene? A gömbvillám modellben a plazma fűtését a Si por mellett okozhatják disszociált szénvegyületek villámcsapás esetén? Az új gömbvillám modellekben a disszociált szénvegyületek okozhatják és fenntarthatják a plazma fűtését.

 

John Abrahamson és James Dinniss elmélet:

 A modern gömbvillám-elméletek (John Abrahamson és James Dinniss szilícium-nanorészecskés modellje szerint a villámcsapás által elpárologtatott és disszociált anyag kémiai rekombinációja az energiaszolgáltató folyamat ( John Abrahamson & James Dinniss: Ball lightning caused by oxidation of nanoparticle networks from normal lightning strikes on soil.  Nature, Volume 403, Issue 6769, pages 519–521., 2000. February 3., https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10676954/).

 

A szénvegyületek szerepét az alábbi fizikai és kémiai folyamatok magyaráznák:

1. Kémiai rekombináció mint energiaforrás: amikor a hagyományos villámcsapás eltalálja a talajt vagy a szerves anyagokat (például fát, avart, műanyagot), a hatalmas hőmérséklet hatására a szénvegyületek alkotóelemeikre bomlanak (disszociálnak). A keletkező szabad szénatomok, szén-monoxid és egyéb gyökök a plazmagömb lehűlése során újra összekapcsolódnak (rekombinálódni) és oxidálódnak. A kémiai reakció folyamatosan hőt termel, ami gátolja a plazma gyors kihűlését, így biztosítja a gömbvillám viszonylag hosszú élettartamát.

2. A szén-nanorészecskék és az égés fűtő hatása: a disszociált szénvegyületekből a hűlés során nanométeres méretű szénszálak, hálózatok vagy fullerének csapódhatnak ki. A szén-nanorészecskék magas hőmérsékleten izzanak (termikus sugárzás). A környező levegő oxigénjével érintkezve a szén lassú, felületi égése (oxidációja) történik meg, ami közvetlenül fűti a plazmafelhőt.

3. Alacsony ionizációs potenciál: a disszociált szénvegyületek és a belőlük keletkező köztes termékek ionizációs energiája gyakran alacsonyabb, mint a tiszta levegő molekuláié, ami segít fenntartani a plazma szabad elektronsűrűségét alacsonyabb hőmérsékleten is, támogatva a belső fűtési mechanizmusokat (pl. az ohmikus fűtést, ha külső elektromos terek is jelen vannak).

Tehát: A disszociált szénvegyületek kémiai fűtőforrásként tökéletesen beilleszthetők a gömbvillám modellekbe a porszemcsék (szilícium, fémek) mellé vagy akár azok helyett is, mivel az újraegyesülésük és oxidációjuk során felszabaduló energia képes biztosítani a gömbvillám lumineszcenciáját és magas belső hőmérsékletét. A széndioxid és a metán is  szerepet játszhat a folyamatban, de teljesen eltérő módon működnek.A villámcsapás extrém (akár 10 000–30 000 °C-os) hőmérsékletén mindkét gáz atomjaira bomlik. A plazma fűtését az ezt követő kémiai folyamatok határozzák meg. A metán kiválóan működik a modellben, mert a disszociációja után nettó energia-termelő (exoterm) folyamatokat indít el.  A metán szénre és hidrogénre bomlik. Amikor a plazma hűlni kezd, a szabad hidrogén és szén hevesen reagál a környező levegő oxigénjével.

 A villám energiája a széndioxidot szén-monoxiddá és szabad oxigénatomokká (vagy teljes disszociáció esetén szénné és oxigénné) bontja. A bomlás energiát von el. A fűtés módja: fűtő hatása csak akkor van, ha a plazma hűlésekor ezek a bomlástermékek újraegyesülnek.  Ez a rekombináció visszaadja a korábban elnyelt hőt. Hátrány a modellben: a széndioxid jelenléte nagy mennyiségben inkább hűti a kezdeti plazmát a disszociáció miatt. Csak akkor segít a fűtésben, ha a környezetben van más, könnyen oxidálódó anyag (pl. fémpor vagy metánból származó hidrogén), amivel a felszabaduló oxigén reagálni tud.

 

Az új, streamerfej elmélet

A streamer csúcs (vagy streamer fej) rendkívül hatékonyan bontja (disszociálja) a szénvegyületeket. A plazmafizikában és a környezetvédelmi gáztisztításban ezt a jelenséget aktívan használják a szénhidrogének és a szén-dioxid lebontására. A gömbvillám-modell szempontjából a streamer csúcs működése a következő lépésekben bontja le az anyagokat:

1. Extrém elektromos térerő a streamer csúcsán . A streamer egy vékony, ionizált gázcsatorna, amelynek a legfontosabb része a haladó csúcs (streamer head). A csúcson a tértöltések miatt hatalmas elektromos térerő koncentrálódik, ami sokkal nagyobb, mint a makroszkopikus (átlagos) térerő a villám környezetében.

2. „Forró” elektronok – hideg gázban (nem-termikus hatás): a hatalmas térerő a szabad elektronokat rendkívül nagy mozgási energiára gyorsítja fel (ezek a forró elektronok, energiájuk elérheti a 10–20 eV-ot is). Miközben a háttérgáz maga még hideg marad, ezek a száguldó elektronok nekiütköznek a gázmolekuláknak. Elektron-ütközéses disszociáció történik: az elektronok energiája meghaladja a kémiai kötések energiáját.  Az ütközés pillanatok alatt darabokra töri a metánt vagy a szén-dioxidot.

3. Gyökök és ionok lavinája: a streamer csúcs áthaladásakor a szénvegyületekből nem egyszerűen gázok, hanem rendkívül reaktív szabad gyökök (pl. CH₃, CH₃-, (CH-, CO-, O-  és atomi szén  keletkeznek. Amikor a streamer csúcs halad (vagy a villámcsatorna összeomlik), a streamer mögött egy reaktív keverék marad vissza.  Miután a külső elektromos tér megszűnik, ez a visszamaradt, disszociált anyaghalmaz elkezd visszarendeződni (rekombinálódni) és oxidálódni. Ekkor indul be az exoterm kémiai fűtés, ami izzásban tartja a gömbvillám plazmáját. Egy erősen csatolt szén-nanorészecskés porplazma alakul ki, amelyben a Yukawa-töltésszétválás és a kémiai energiafelszabadulás együtt biztosítják a néhány másodperces fennmaradást, összetartaja a plazmát.

 

A streamer csúcs tehát a modellben az „aktivátor”, amely elvégzi a nehéz munkát (befekteti az energiát a kötések felszakításába), a gömbvillám pedig az a fázis, amely ebből a raktározott kémiai energiából él és fűti önmagát, a csúcs az oka a jelenségeknek.

Ha a streamer csúcsot tekintjük a gömbvillám közvetlen forrásának (nem pedig magát a csatornát), akkor a modell  megoldja a gömbvillám-kutatás két legnagyobb rejtélyét: a lokalizációt (miért marad egyben a gömb) és az energiatárolást (honnan van a fűtés).

A modell fizikai mműködése:

1. A streamer csúcs leválása és csapdába esése. A hagyományos villámlás során a streamerek (elő-kisülések) elágaznak. Amikor a főcsatorna kisül, a feszültségviszonyok megváltoznak. Ha egy streamer csúcs éppen ekkor szakad el a fő áramkörtől, a benne lévő hatalmas téltöltés-sűrűség (főleg pozitív ionok vagy elektronlavina-fej) izolálódik. Ez a pontszerű, extrém nagy elektromos térerő egy elektromágneses örvényt vagy egy zárt tértöltési zónát hoz létre.

2. A „kémiai akkumulátor” feltöltése: a haladó csúcsban lévő forró elektronok a nanoszekundumos időskálán darabokra szaggatják a környező gázokat: a metánt szabad hidrogénre és szénre, a szén-dioxidot szén-monoxidra és oxigénre, a levegő nedvességét OH- gyökökre, a nitrogént pedig nitrogén-oxidokra. A streamer csúcs gyakorlatilag egy sűrű kémiai energiacsomagot (gyökkeveréket) hoz létre egy nagyon szűk, gömb- vagy csepp alakú térrészben.

3. Átmenet a gömbvillám fázisba (Önfenntartó fűtés): amikor a streamer csúcs mozgása megáll (mert a külső térerő megszűnt vagy kiegyenlítődött), a rendszer nem tűnik el azonnal, mert beindul a kémiai fűtési fázis: a disszociált szénatomok nanométeres korom- vagy szénszálakká (fullerénekké) kezdenek kondenzálódni. A nanorészecskék csapdába ejtik a töltéseket, lassítva a plazma rekombinációját (ez az ún. poros plazma vagy dusty plasma hatás). Aszabad gyökök és a szén-nanorészecskék elkezdenek reagálni a környező oxigénnel, az exoterm reakció tartja fenn a plazma hőmérsékletét, ami miatt a gömb világít (lumineszkál) és hőt sugároz.

Miért működik jól ez a modell? Mert nincs szükség külső áramforrásra, a gömbvillámnak nem kell a felhőből az energia. A streamer csúcs által „beoltott” és disszociált szénvegyületek helyben tárolják a fűtéshez szükséges energiát. A streamer csúcsok fizikai mérete (pár centimétertől a deciméteres nagyságrendig) pontosan megegyezik a megfigyelt gömbvillámok méretével. Magyarázza a mozgást is: a gömb egy ionizált, töltött plazmagömb, így követi a környező elektromos tereket és a légáramlatokat (pl. ablakokon, kéményeken behúzódás).

Mekkora energiát képes tárolni egy ekkora streamer csúcs? Egy tipikus, kb. 10 cm átmérőjű gömbvillámnak megfelelő térfogatú streamer csúcs a disszociált szénvegyületekben (elsősorban metánban és szén-monoxidban) körülbelül 100 J és 4000 J, azaz 0,1 - 4 { kJ közötti kémiai energiát képes tárolni tiszta gázfázisban, a kiindulási gázkoncentrációtól függően. Ha a rendszer szilárd szénpor-nanorészecskéket is tartalmaz, ez az érték elérheti a 10 - 20 kJ -t is. A tárolt energia tökéletesen egybevág a megfigyelt gömbvillámok energiasűrűségével, és elegendő ahhoz, hogy a gömb egy-két 100  W-os izzó fényével világítson néhány másodpercen keresztül. A pontos energiamennyiség felfelé módosítja ha a streamer csúcs a szénvegyületek disszociációjából származó szilárd szén-nanorészecskéket (korom, fullerének) is tartalmaz, az energiasűrűség nagyságrendekkel megugrik, mert a szilárd szén égéshője -393,5  kJ/mól. A  streamer csúcs által a szénvegyületekben tárolt energia 100J}-20000J. , ez a kémiai energiamennyiség fizikailag teljesen reális és elégséges a gömbvillám jelenséghez. Egy 1000 J energiával rendelkező gömb képes 100 W teljesítménnyel (mint egy fényes izzó) világítani 10  másodpercig, miközben lassan felemészti a streamer által előkészített szénvegyület-üzemanyagot. Milyen belső plazmahőmérsékletet képes fenntartani és mennyi időre a gömbben? A szénvegyületek által tárolt energia egy 10 cm átmérőjű gömbben 1500 °C és 3500 °C (kb. 1800–3800 K) közötti belső plazmahőmérsékletet képes fenntartani, tipikusan 1 és 30 másodperc közötti időtartamig, és ez a tartomány azért ideális a modell számára, mert ez egy úgynevezett „termikus egyensúlyi csapda”. Ezen a hőmérsékleten a gáz már elég forró ahhoz, hogy gyengén ionizált plazmaként viselkedjen és világítson, de nem hűl le azonnal, mert a kémiai reakciók folyamatosan pótolják az elveszett hőt.

 

 

A fizikai egyensúly és az időtartam az alábbi tényezőkön múlik:

1. A belső plazmahőmérséklet korlátai: a maximális és fenntartható hőmérsékletet a hőtermelés (kémiai reakciók) és a hőveszteség (sugárzás és hővezetés) egyensúlya határozza meg. Alsó határ (~1500 °C): ha csak gázfázisú szénvegyületek (metán maradványok, szén-monoxid) égnek el lassú diffúzióval a levegő oxigénjével. Ez a hőmérséklet egy sárgás-narancssárgás, gyertyaláng-szerű izzást és gyenge ionizációt biztosít. Felső határ (~3500 °C): ha a streamer csúcs által gyártott ultrafinom szén-nanorészecskék (korom, fullerének) felületi égése dominál. A szén szublimációs pontja (ahol gázzá alakul) kb. 3600 °C, efelett a szén elpárologna és a gömb szétesne. A nanorészecskék felületi égése miatt a hőmérséklet beáll ezen kritikus pont alá, fehéres-kék vagy vakító sárga fényt kibocsátva.

2. Mennyi időre elegendő az energia? A gömb élettartamát az határozza meg, hogy a tárolt kémiai energia milyen gyorsan sugárzódik ki a környezetbe. „Gáz-üzemmód” (Alacsony energia: ~1 kJ): ha a gömb csupán gázreakciókból él, a leadott teljesítménye kb. 100 Watt (mint egy fényes háztartási izzó), az élettartama 10 másodperc. A „Poros plazma üzemmód” (Magas energia: ~15 kJ): ha szilárd szén-nanorészecskék is izzanak a plazmában, a sugárzási veszteség sokkal nagyobb,  500 Watt termikus és fénysugárzás lehet.  Mivel azonban a nanorészecskék sokkal több energiát tárolnak, a folyamat tovább tart, 30 másodpercig.

Miért nem robban fel vagy hűl ki azonnal? A mi a modell stabilitásával kapcsolatos: a kémiai reakciósebesség függ a hőmérséklettől (Arrhenius-törvény): ha a plazma túl forróvá válna, a szénvegyületek disszociációja újra beindulna, ami hűtené a rendszert (endoterm folyamat). De ha a plazma hűlni kezd, a szén és oxigén rekombinációja felgyorsul, ami fűti a rendszert (exoterm folyamat). Az önszabályozó visszacsatolás tartja stabilan a gömböt másodperceken át, pontosan a megfigyelt 1500–3500 °C-os sávban. A modellnek a stabil működéséhez elengedhetetlen a negatív differenciális ellenállás, mert a kémiai fűtés (a szénvegyületek oxidációja) biztosítja az energiát, a fizikai stabilitást a negatív differenciális ellenállás biztosítja: vagyis azt, hogy a gömb ne robbanjon fel azonnal, és ne is aludjon ki egy tizedmásodperc alatt.

 

A negatív differenciális ellenállás a modellben két kulcsfontosságú szinten jelenik meg:

1. A plazma belső elektromos stabilitása (Áram-feszültség karakterisztika): a gázkisülésekben és a forró plazmákban a hőmérséklet emelkedésével az ionizációs fok gyorsan nő, ami miatt a szabad elektronok száma megugrik. A probléma negatív differenciális ellenállás nélkül: ha a feszültség nő, az áram nő, a gáz jobban melegszik, a vezetőképesség nő, ami még több áramot vonz, ami  egy öngerjesztő folyamat (termikus megszaladás), ami azonnali ívkisüléshez (villámcsapáshoz/robbanáshoz) vezetne. A negatív differenciális ellenállás szerepe: a streamer csúcsból visszamaradt gázban egyes áram- és hőmérsékleti tartományokban a feszültség növekedésével az áram csökkenni kezd (vagy fordítva: a nagyobb áramhoz kisebb feszültség is elég). A jelenség képes korlátozni az áramot, és egy zárt, stabil, gömb alakú áramstruktúrát fenntartani anélkül, hogy az szétfolyna vagy felrobbanna.

2. A szénvegyületek és a „poros plazma” és a negatív differenciális ellenállás hatása: mivel a modellben disszociált szénvegyületek és szén-nanorészecskék (korom) is vannak, a rendszer egy poros plazmaként (dusty plasma) viselkedik. A por jelenléte felerősíti a negatív differenciális ellenállást. A szén-nanorészecskék nagyon könnyen befogják a szabad elektronokat a felületükön (töltéscsapdázás).Ha a plazma belső elektromos tere változik, a porszemcsék töltése is módosul, és ez a töltésfluktuáció egy erős kémiai és elektromos negatív differenciális ellenállású karakterisztikát hoz létre a rendszerben, ami meg akadályozza, hogy a streamer csúcs által felhalmozott töltések azonnal kisüljenek a környező levegőbe.

3. A kémia (a szén, a széndioxid és a metán) biztosítja a folyamatos kalóriadús fűtést (az üzemanyagot), negatív differenciális ellenállás biztosítja a szabályozást. Ha a rendszer túl sok energiát akarna egyszerre leadni, a negatív differenciális ellenállás elektromosan és termikusan "visszafojtja" a folyamatot, elnyújtva az élettartamot másodpercekre. Ha a negatív differenciális ellenállást beépítjük a matematikai egyenletekbe (az áram-feszültség vagy a nettó energia-hőmérséklet fv. görbék közé), a szimuláció egy stabil, térben lokalizált gömbszimmetrikus megoldást (gömbvillámot) eredményezni.