Villámcsapás vagy elővillám → lebegő pernye → plazmagömb
Összefoglalás
Amikor belecsap egy villám a talajba, lebegő pernye keletkezik, de lebegő pernye más okokból is előfordul, gyakori jelenség.
A lebegő pernye szemcsemérete a 0,1 és 250 mikrométer (µm) közötti tartományba esik, a legnagyobb tömegű frakciója általában a 20 és 25 µm közötti mérettartományban található. Két gyakori mérete: finom frakció 0,5–0,6 µm környékén, és a durvább frakció 20–25 µm, néha 10–30 µm. A gömbvillámok esetén az 1 µm- nél kosebb méretűek az érdekesek, mert nem ülepednek ki. A 20–30 µm-esek a szénszemcsék szétaprózódásából származnak. A pernyék anyaga főleg szilícium-, aluminium-, magnézium- és kalciumoxidok és korom.
A lebegő pernye szemcsemérete a 0,1 és 250 mikrométer (µm) közötti tartományba esik, a legnagyobb tömegű frakciója általában a 20 és 25 µm közötti mérettartományban található. Két gyakori mérete: finom frakció 0,5–0,6 µm környékén, és a durvább frakció 20–25 µm, néha 10–30 µm. A gömbvillámok esetén az 1 µm- nél kosebb méretűek az érdekesek, mert nem ülepednek ki. A 20–30 µm-esek a szénszemcsék szétaprózódásából származnak. A pernyék anyaga főleg szilícium-, aluminium-, magnézium- és kalciumoxidok és korom.
Ha a villám vagy egy földi elővillám (láthatatlan streamer, így két féle gömbvillám létezik) a lebegő forró pernyében található éghető anyagot, szénport, koromszemcséket begyújtja, akkor átlagosan 2000 - 4000 Kelvines plazma, gömbvillám alakul ki, ami ritka jelenség. Az égés oxigénhányos környezetben történik, az energiaveszteségeket pótolja. A kémiai égés már egy 3000–4000 K-re ionizált és felfűtött közegben indul be vagy folyik tovább. A kémiai reakcióhő nem a nulláról fűti fel a rendszert, hanem hozzájárul a magas hőmérsékleten fellépő energiaveszteségek (sugárzás, hővezetés) kompenzálásához. Az éghető plazmának a tulajdonságait, kihűlését, gyújthatóságát, stabilitását vizsgáljuk. A megfigyelések kb. egy harmadában a villámcsapás nem közvetlenül idéz elő a gömbvillámokat, láthatatlan elővillámokból is létrejönnek gömbök, a lebegő pernye gyújthatósága 700-800 Kelvinen van.
A földi elővillámok csúcsa, a streamerfej magas elektron hőmérsékletű, míg a gáz a streamerfejben hideg, a benne mozgó elektronok energiája magas, több tízezer Kelvin fokos. De a streamerek esetén is, ritka esetekben a streamerfej mögötti csatorna képes lehet a gázmolekulákat 3000–4000 Kelvinre felmelegíteni. Ha a lebegő szénpor koncentrációja eléri az éghető koncentrációt, a streamerfej elektromos kisülése (szikrája, talán néha a súrlódás) képes begyújtani a pernyét, amikor elegendő a szénpor minimális gyulladási energiájához (ami kb. 30–100 mJ).
Elektronhőmérséklet vs. gázhőmérséklet: alapesetben a streamerfej egy nem-termikus (hideg) plazma. Ahhoz, hogy a gázmolekulák is felmelegedjenek 3000–4000 K a szintre, tartós térfeszültség szükséges. A molekulák melegedését az elektromos tér által gyorsított részecskék ütközései okozzák, ami nanoszekundumok alatt képes a gázhőmérsékletet több ezer Kelvinnel megemelni. A lokális hőmérséklet eléri a 4000 Kelvint.
A plazmában lévő elektronok és ionok Debye-árnyékolást hoznak létre, az árnyékolás a Coulomb-potenciált Yukawa potenciállá alakítja, ami a plazmát folyadékszerű, erősen csatolt állapotba, Yukawa-porplazma állapotba kényszerítheti. Kis, 1 µm alatti
szemcseméretnél a gravitáció hatása elhanyagolható, nem ülepednek ki a szemcsék. A felületen fellépő aszimmetrikus erők miatt felületi feszültség keletkezik, amely a plazmatömeget, a szabadenergiát minimalizálva összehúzza a legkisebb felületű geometriai alakzatba, egy gömbbe. A gömb veszteségeit, stabilitását kémiai fűtés biztosítja (szén, de több féle anyag égése lehetséges a hőmérséklet függvényében), fel kell tételezni, hogy az oxigénfluxus elegendő a megfigyelt néhány másodperces, néhány 10 másodperces élettartamhoz. Az égés stabilitását pedig a szén-dioxid, a vízpára, és a szabad gyökök rekombinációi is biztosítják, melyek negatív visszacsatolásos jelenségek. Yukawa-porplazma a természetben gyakori jelenség. A gömbvillámot alkotó talajmenti elemek (szén, szilícium, vas, kalcium) átlagos hőmérséklete a magban 4000 Kelvin körül mozogott egy vonalas villám megfigyelésnél, a külső, folyamatos spektrumú gömbrészeknél pedig csupán 2700 Kelvin volt.
Gyújtási hőmérséklet + poros lebegő pernye → Yukawa-porplazma
Nem nyilvánvaló, hogy egy villám keltette pernyében van éghető anyag, és hogy a villám, esetleg a súrlódás be tudja gyújtani a pernyét, de előfordulnak. Egy további lehetőséget is vizsgálunk, amikor egy földi elővillám ott alakul ki, amikor egy vonalas villámcsapás vagy más miatt korábban keletkezett éghető pernye, és a még lebegő éghető por, szénpor elég sűrű, és begyulladhat. Mivel a felfelé törő elővillámban van egy plazmacsatorna (ritkán a hőmérséklete eléri az 1000-4000 Kelvines tartományt, de az elektronok hőmérséklete magas, jellemzően 2 és 5 elektronvolt között mozog, ami a hagyományos hőmérsékleti skálára átszámítva körülbelül 23 000 K és 58 000 K közötti értéket jelent, 1 eV ≈ 11 600 Kelvin), amely a benne és a közvetlen környezetében lévő szemcséket a gyulladási hőmérsékletre hevíti. Maga a szénpor "villámvonzó" vezető anyag. A levegőben lebegő szénpor nemcsak éghető, hanem kiváló elektromos vezető is szemben a tiszta, száraz levegővel. Amikor a talajból kiindul a földi elővillám, a mikroszkopikus szénszemcsék a térerő hatására „láncot” alkotva megkönnyítik a plazmacsatorna növekedését. A lebegő szénporfelhő segíti a földi elővillám kialakulását, mert csökkenti a levegő átütési feszültségét. Ha nincs felhőből jövő felső ág, akkor az izzó poros plazma, azon belül pedig a Yukawa-plazma (vagy Yukawa-folyadék) modelljével írható le a kialakuló rendszer, ahol a kémiai égés energiája közvetlenül beépül a plazma egyensúlyi rendszerébe. Modellezési hiba az éghető anyagok közül csak egy elemet, vegyületet figyelembe venni, -pl. csak a szenet, vagy csak a szilíciumot-, a helyes állítás: a kémiai égés pótolja a plazma veszteségeit az éghető anyagokból, és Yukawa-porplazma alakul ki.
Kémiai égés → Stabilitás → Lebegő plazma
A földi elővillám csatornájában a szabad elektronok és ionok rátapadnak a lebegő szénpor-, korom-, és más szemcsékre. Mivel a szénszemcsék a gázmolekulákhoz viszonyítva nagy méretűek, óriási, akár több ezerszeres negatív elektromos töltést képesek összegyűjteni. A töltött szénszemcsék a plazmában lévő elektronok és ionok miatt árnyékolják egymást. A köztük fellépő kölcsönhatást a Yukawa-potenciál (árnyékolt Coulomb-potenciál) határozza meg. A lebegő pernye és az elővillám együttesen erősen csatolt Yukawa-rendszert alkot. A Yukawa-porplazma egyik tulajdonsága, hogy van a felületi energiája aszimmetrikus erőkkel, ami a felületi feszültséghez hasonló jelenség, és összehúzza a plazmát, a korlátozott oxigénfluxus pedig elnyújtja az égési folyamatot, együttesen stabilizálják a gömb alakot.
A lebegés feltétele nemcsak a gravitációs erő és a felhajtó erő egyensúlya, hanem a plazma állandó hőmérséklete is. Lehetett találni olyan önszabályozó folyamatot, amelyik stabilizálja a plazma hőmérsékletét. A plazma természetes hűlési és elektromos veszteségeit a párából származó szabad gyökök (pl. a hidroxil, az -OH gyökök és a CO → CO2 ) felületi rekombinációja és kémiai oxidációja is fedezi. A rekombináció ebben a hőmérséklet tartományban stabilizálja önmagát, és elég forró ahhoz, hogy a gázok ionizáltak maradjanak, de nem vezet termikus robbanáshoz. A levegő megfelelő páratartalma fontos, mert vízgőz ad -OH (hidroxil) és H+ szabad gyököket a stabilizáló rekombinációhoz.
Disszociáció és gyökképzés: a földi elővillám (streamer) kezdeti, magas elektron-hőmérsékletű zónájában a vízmolekulák és a gázok disszociálnak, az oxigénfluxus által meghatározott lassú felületi égés és rekombináció történik. Amikor a rendszer eléri az 50%-os rekombinációnál az önszabályozott egyensúlyi hőmérsékletet, a gázfázisú disszociáció lelassul, és a rekombinációs folyamatok erősödnek. Az -OH gyökök egymással, illetve oxigénnel és hidrogénnel való rekombinációja nagy exoterm energiát (hőt) szabadít fel, ami gyorsan rekombinálódik. A szén-dioxid disszociációja a hőmérséklet emelkedésével: ~2000 °C-on a molekulák 1-2%-a bomlik el, majd ~3000 °C-on a disszociáció mértéke már eléri a 40-50%-ot, és a 3200 °C – 3500 °C közötti tartományban majdnem az egész átalakul szén-monoxiddá és oxigénné. A szén-monoxid az adott hőfokon stabil vegyület sokáig. A folyamat nem robbanásszerű, hanem a gyökök korlátozott száma és a por felületi adottságai miatt szabályozott, lassú égés, a plazma nem hűl ki azonnal, hanem másodpercekig autonóm módon fennmarad és lebeg a környező hideg levegő sűrűségkülönbsége szerint. A szén és a vízgőz gyökei elégnek és gázzá alakulnak, amikor az égés megszűnik. A SiO2 egy része disszociál vagy megolvad (folyékony mikrocseppekké alakul), vagy a szén redukálja 1500 Kelvin felett, de a nehéz részecskék a Yukawa-rendszerben maradnak. A magas töltésű ásványi szemcsék alkotják a Yukawa-rácsot, amely a plazma felületi energiáját, és a vezető képességét biztosítja. A belső elektromos kohézió és a gyökök felületi égése együttesen biztosítják, hogy a plazmagömb néhány, néhány 10 másodpercig fennmaradjon, biztosítva a gömbvillám stabilitását, lebegését és élettartamát.
A gömb alak a Yukawa-plazma felületi energiájának a következménye
A villámcsapás során a talajból elpárolgó és lebegő pernye (75–95%-ban éghetetlen ásványi szilikátok, mint a SiO2, és fémoxidok) mikroszkopikus szemcséi nagy negatív töltést gyűjtenek össze. A gömbforma kialakulása szigorú matematikai kényszer. A plazmában lévő elektronok és ionok Debye-árnyékolást hoznak létre a porszemcsék körül, ami a Coulomb-erőt Yukawa-potenciállá alakítja át. A plazmát egy folyadékszerű, erősen csatolt állapotba kényszeríti. A felületen fellépő aszimmetrikus erők miatt valódi felületi feszültség keletkezik, amely a plazmatömeget – a szabadenergia minimalizálása érdekében – kényszerítő erővel húzza össze a legkisebb felületű geometriai alakzatba, egy stabil gömbbe. A létrejövő erősen csatolt Yukawa-porplazmában az elektromos leárnyékolásból kollektív felületi energia származik, amely a felületi feszültséghez hasonlóan működik. Kiegyenlíti a belső zavarokat, rugalmasan összetartja a struktúrát külső elektromos feszültség nélkül is, és biztosítja a rugalmas, közel gömb alak megmaradását a belső áramlások és a külső zavarok ellenére.
A kollektív felületi energia úgy viselkedik, mint a folyadékok felületi feszültsége, összetartja a struktúrát anélkül, hogy külső elektromos vagy mágneses mezőre lenne szükség. A nulla nyomáskülönbség a klasszikus folyadékcseppekkel ellentétben – ahol a felületi feszültség belső túlnyomást hoz létre-, a Yukawa-rendszerben a belső és külső nyomás megegyezik. A felületi energia rugalmas határfelületi alaktartást eredményez. A felületi energia minimalizálja a felületet (ezért a gömb alak), és a belső gázáramlások vagy a külső elektromos/szélzavarok keltette deformációkat kisimítja, mutatja a gömbvillám élettartamát. A rugalmasság miatt -a megfigyelések szerint- kis résen, lyukon is átjuthat, van példa rá, hogy beolvasztotta, bezárta maga után az üveget.
A pernye összetétele
A Yukawa-plazma stabilizálása és a lebegő pernye szerepe: a plazmát alkotó pernyének csak 5 – 25%-a az éghető anyag (szén), a többi 75 – 95% éghetetlen lebegő ásványi hamu. Az arány segíti a Yukawa-plazma egyensúlyát. Az 5–25%-nyi széntartalom bőségesen elegendő arra, hogy a plazma magas hőmérsékletén (plazma-asszisztált égés) meggyulladva fedezze a plazma hőveszteségeit. Az éghetetlen részt. a 75 – 95%-ot ásványi szilikátok és fémoxidok alkotják. Mikroszkopikus méretű, megolvadt és üvegesedett ásványi szemcse (szilícium-dioxid, alumínium-oxid, vas-oxid és kalcium), sokszor a fa szervetlen részei. Az éghetetlen rész alkotja a Yukawa-modell töltéshordozó szemcséit. A nehéz ásványi szemcsék veszik fel a hatalmas (10³ - 10⁴ e) negatív elektromos töltést a plazmában. A szemcsék nem égnek el és nem tűnnek el gázként (szemben a szénnel, ami gázzá alakul), tartósan jelen maradnak a plazmában. A pernye egy hibrid rendszer: az éghető tartalom, az 5–25%-nyi széntartalom az oxigénfluxus szerint táplálja kémiai energiával (hővel) a plazmát, míg a 75–95%-nyi éghetetlen ásványi por biztosítja azt a fizikai struktúrát és stabil töltésrácsot, amitől a plazma "poros" Yukawa-plazmaként képes viselkedni. Az egyensúlyi égés teszi lehetővé, hogy a földi elővillám zónájában a plazmafelhő egy önfenntartó, lassan mozgó vagy helyben lebegő gömböt alkosson.
A gömbvillámok modellezésének problémái
A lényeges, hogy a modell autonóm legyen, azaz külső elektromos és mágneses erőterek hiányában is működjön -másként igen speciális erőtereket kéne feltételezni-, továbbá hogy megfeleljen a mért eredményeknek, megfigyeléseknek. A gömbvillám látszólag ok nélkül, a semmiből is keletkezik: lehetséges gyújtása a láthatatlan streamerek vagy a súrlódás. Fontos tulajdonság, hogy a keletkező gömbvillám saját magát fűti fel az egyensúlyi állapotig. Lebegéséhez, stabilitásához pedig szabályozott égésre van szükség.
Szerencsés, hogy létezik műszeres megfigyelés [1]: kínai kutatók megmérték egy gömbvillám spektrumát. A tanulmányukban optikai, spektroszkópiai mérésekről számoltak be. A megfigyelés során a gömbvillám fényességét, színét, méretét és élettartamát, valamint a kibocsátott fény spektrumát és intenzitását rögzítették. A spektroszkópiai vizsgálat alapján több kémiai elem jelenlétére utaló emissziós vonalakat azonosítottak: szilícium (Si), vas (Fe), kalcium (Ca), magnézium (Mg) és titán (Ti) vonalai jelentek meg. Különösen érdekes, hogy a spektrum nemcsak a levegőből származó elemekre utal, hanem a talajból származó anyagok jelenlétére is. Alátámasztja azt az elképzelést, hogy a villámcsapás a talajból párologtatott vagy elporlasztott anyagokból, pernyéből is kialakulhat. A kutatók a gömbvillám színhőmérsékletét átlagosan 4000 Kelvinre becsülték. Az irodalomban található modellek homogének, abban az értelemben, hogy egy vegyület -pl. szilícium- tulajdonságain alapulnak. Az általános gömbvillám modellben figyelembe kell venni a vonalas villámokban megfigyelt összes vegyületet és a pernyeanyagokat, tehát inhomogén anyagú modellek lesznek.
1. ábra. Egy gömbvillám spektruma [1]
Bemenő paraméterek:
Környezeti adatok:
Légköri nyomás (P), környezeti hőmérséklet (T).
Geometria és anyag:
Gömb átmérője (D),
Szükséges pernyetömeg (m),
Pernye éghető (szén) tartalma (sz),
A pernye sűrűsége (s),
Átlagos szemcseátmérő (d) .
Termodinamika:
Maghőmérséklet (Ti), Felületi hőmérséklet (To).
Plazmafizikai jellemzők:
Elektronhőmérséklet (Te),
Emissziós hányados (εeff),
Effektív felületi energia-együttható (γeff).
Kimenő paraméterek:
Szemcsék száma (N): A plazmában található pernyerészecskék teljes mennyisége.
Csatolási állandó (Γ): A porplazma belső folyadékállapotát és az elektrosztatikus potenciált jellemző érték.
Termodinamikai és fűtési paraméterek:
Teljes hőveszteség (sugárzás): A felületi sugárzás miatti energiaveszteség wattban.
Fűtés / Energia-utánpótlás: az éghető szemcsék (szénszemcsék) lassú oxidációjából és a gyökök rekombinációjából származó hőtermelés.
Disszociációs arány: A gázmolekulák (pl. CO₂ , -OH. -H) hőmérsékletfüggő felbomlási százaléka.
Plazmafizikai paraméterek
Debye-hossz: Az elektronok elektromos árnyékolási távolsága mikrométerben.
Effektív felületi energia-együttható (γ): A gömb alakot biztosító, felületi feszültséghez hasonló együttható.
Lebegési és élettartam paraméterek
A gömb teljes saját tömege: A pernye és a belső forró levegő együttes súlya.
A forró gáz felhajtóereje: A környezeti levegő által kifejtett felhajtó erő tömeg-egyenértéke.
Nettó egyensúly (nettó felhajtóerő): A lebegést közvetlenül lehetővé tevő eredő erő.
Élettartam: A gömbvillám fennmaradásának ideje másodpercben az üzemanyag elfogyásáig.
Stabilitási állapot: A fűtési és hűtési folyamatok negatív visszacsatolású egyensúlya.
Példa (Szimulációs modell. Gemini)
Geometriai és szerkezeti paraméterek
Átmérő 30 cm,
Felület ≈ 0,283 m²
Térfogat ≈ 0,0141 m³
Szükséges pernyetömeg: 15,0 gramm.
A Yukawa-plazma szemcse anyaga: pernye, kb. 0,3 gramm tiszta széntartalommal.
Szemcsék száma (N): ≈ 8,8 × 10¹⁰ darab (5 μm-es átlagos szemcseátmérővel), egy szemcsére . Csatolási állandó (Γ): ≈ 75, a porplazma a belső térben erősen csatolt folyadékállapotban van.
Termodinamikai és fűtési paraméterek
Maghőmérséklet: ≈ 3000 K
Felületi hőmérséklet: ≈ 2000 K, ami narancsos-fehér izzást okoz. A felület optikailag vékony, rekombinációs plazma.
Teljes hőveszteség (sugárzás) ≈ 260 W (felületi sugárzás, εeff ≈ 10-5 - 10-4 ).
Fűtés: a fűtést a szemcsék felületén lévő 0,3 g szén lassú oxidációja fedezi.
Plazmafizikai paraméterek
Debye-hossz ≈ 35 – 45 μm, az elektronhőmérséklet 104 K körüli.
A porszemcsés Yukawa-fázis effektív felületi energia-együtthatója, aminek "felületi feszültség" a szerepe a modellben:
γ ≈ 10-4 - 10-5 N/m körüli.
Lebegési és élettartam paraméterek, hőmérleg:
A gömb teljes saját tömege: ≈ 17 gramm (A pernyetömeg + a forró levegő súlya).
A forró gáz felhajtóereje: ≈ 17 gramm tömeg-egyenértékű erő (felhajtó erő).
Nettó egyensúly: ≈ 0,2 gramm nettó felhajtóerő, ami a lebegést teszi lehetővé, a gömb stabilan lebeg a viharos, nagynyomású zivataros légrétegben, a légnyomás függvényében.
Élettartam: 20 - 40 másodperc.
Stabilitás: ha a rekombinációk száma nő, az fűtő hatású, ha csökken, az hűtő hatású. A szén égéshője (≈ 393 kJ/mol) alapján a gömbben lévő 0,3 gramm szén teljes elégése (fekete test esetén) elméletileg ≈ 0.038 másodpercig tartana tiszta oxigénben, de a gömbvillám emisszió hányadosa εeff ≈ 10-5 - 10-4, a parázslás elnyúlik a megfigyelt 10–40 másodpercre. A sugárzási képesség összefügg az anyag abszorpciós (elnyelési) képességével. A gömbvillámok többségénél a felületi réteg a megfigyelések szerint optikailag vékony, azaz majdnem teljesen átlátszó gáz- vagy plazmaképződmény. Mivel a fény nagy része akadálytalanul áthalad rajta (alacsony az abszorpciója), a feketetest-sugárzáshoz képest a kibocsátási képessége is elhanyagolhatóan kicsi lesz. A fényhatást nagyrészt "hideg" lumineszcencia, gerjesztett atomok/ionok rekombinációja, vagy nanoméretű szemcsék (pl. égő szén-, fémrészecskék) lassú, felületi kémiai reakciója táplálja.
A szénrészecskék a gömb külső/átmeneti zónájában lassan oxidálódnak, és az oxidációból származó energia részben a belső plazma gerjesztését és hőmérsékletét tartja fenn. A lassú égés sebességét az O₂ bejutása és/vagy a szénfelület reakciókinetikája határozza meg. A hidroxil gyökök folyamatosan keletkeznek és rekombinálódnak.
Megsemmisülés: amikor a 0,3 gramm fűtés elfogy (szén-dioxiddá, párává alakul), akkor a gömbvillám hirtelen összeomlik, kihűl, és a némi megmaradt finom por láthatatlanul eloszlik a levegőben.
(A 15 g / 5 μm / 1000e / 35 μm paraméterekből egy kb. Γ = 75 -ös erősen csatolt Yukawa-folyadék valóban kijött az ellenőrzésnél. Érdekes lépés a modell 5 ismeretlenre: Qd, ne, ni, Td, Te, és abból kiszámolni, hogy mekkora gömbméret, portömeg és élettartam jön ki magától, paraméterek utólagos „beállítása” nélkül.)
A paraméterek "hangolása" (szimulációs modell 1. , Gemini) 1 μm-es szemcseméretnél (a gravitáció elhanyagolható)
- Egy szemcse tömege: Mivel az átmérő az 1/5-ére csökken, egyetlen gömb alakú porszemcse térfogata és tömege a 125-öd részére esik vissza.
- Szemcsék száma Ahhoz, hogy a teljes pernyetömeg változatlanul 15g maradjon, a szemcsék számának a 125-szörösére kell növekednie: a nagy szemcseszám egy sűrű, homogén porplazma fázist eredményez a gömb belsejében.
- Ha a sugár az 1/5-ére csökken, egy szemcse egyensúlyi töltése is az 1/5-ére esik vissza:, 200 e-re.
- Összesített kötött elektronszám: Bár egy szemcsén kevesebb a töltés, a rengeteg szemcse miatt a plazmában megkötött elektronok száma jelentősen 25-szörösére nő.
- Az átmérő 5-szörös csökkentésével az ülepedési sebesség a 25-öd részére csökken!
- Egy 1 μm -es pernyeszemcse végsebessége a forró levegőben elhanyagolhatóan kicsi (mindössze néhány tized milliméter másodpercenként), a minimális mozgást az adott hőmérsékleten a belső hőkonvekció és a Brown-mozgás játszva felülírja.
A szemcsék sokkal közelebb kerülnek egymáshoz (a sűrűségük megnőtt), a köztük lévő átlagos távolság az 1/5-ére csökken. Bár a szemcsénkénti töltés kisebb, a kis távolság miatt a Coulomb-féle taszító energia és a termikus energia aránya, Γ magas, egy még tömörebb, stabilabb, makroszkopikusan folyadékszerűen viselkedő halmazállapotot (erősen csatolt plazmát) vesz fel, ami tökéletesen összetartja a 30 cm-es gömbi struktúrát. A számítások szerint az 1 μm -es szemcseméretre való átállás nemcsak a mechanikai lebegést segíti, hanem a gömbvillám plazmafizikai és kémiai stabilitását is gyökeresen megváltoztatja. Az alábbiakban bemutatom a pontosított Debye-hosszat, a felületi feszültséget és a szén égéskinetikáját:
Mivel a szemcsék száma a 125-szörösére nőtt, a porplazma töltéshordozó-sűrűsége megemelkedik. A Debye-hossz (a plazma leárnyékolási távolsága) fordítottan arányos a töltéssűrűség négyzetgyökével. megnövekedett elektronszám és szemcsesűrűség miatt a Debye-hossz lecsökken, és 7 - 10 μm közé áll be (szemben a korábbi 35–45 μm-rel). Ez azt jelenti, hogy a plazma sokkal "keményebb", az elektrosztatikus árnyékolás sokkal kisebb skálán valósul meg, ami stabilabb belső rácsszerkezetet (Yukawa-folyadékot) biztosít. Az effektív felületi feszültség: A sűrűbb szemcse-eloszlás növeli a kohéziós erőket a plazma határfelületén. A felületi feszültség szerepét betöltő együttható megemelkedik: 10-3 - 10 4 N/m nagyságrendűvé válik. Ez a megerősödött "felületi hártya" még hatékonyabban tartja egyben a 30 cm-es gömbformát a külső légáramlatokkal szemben.
A 0,3 gramm szén fajlagos felülete a 5-szörösére növekszik. Alapesetben a nagyobb felület robbanásszerű gyors égést okozna, ami milliszekundumok alatt felemésztené az üzemanyagot, ha van elég oxigén, tönkre téve a 20–40 másodperces élettartamot. A fizikai környezet azonban tartalmaz egy automatikus fékező mechanizmust, ami fenntartja a lassú égést:
- Diffúzió-kontrollált égés (Levegőhiány): Mivel a gömb belsejében a porplazma sűrű folyadékfázist alkot, az oxigénmolekulák nem tudnak szabadon áramlani (nincs turbulens keveredés). Az oxigénnek a külső rétegekből kell befelé diffundálnia a sűrű Yukawa-plazmán keresztül.
- Önszabályozó fojtás: A 3000 K-es maghőmérsékleten a szén és oxigén reakciója azonnal lezajlik a szemcsék felületén, CO és CO₂ gázt termelve, a helyben keletkező forró gázfelhő "leárnyékolja" a szemcséket a friss oxigén elől.
- Tehát: az égés sebességét nem a szén felülete, hanem a gázdiffúzió sebessége határozza meg a plazma határrétegén keresztül. Így az 1 mikrom-es szemcsék esetén is tökéletesen tartható a 260 W-os szabályozott teljesítmény és a 20 - 40 másodperces élettartam.
A paraméterek "hangolása" (szimulációs modell 2 Gemini)
Kémia és Oxigénellátás: ha a 1,4 grammos pernyefelhő széntartalma arányosan 0,03 grammra csökken, szénnek az égéshője 982 Joule energiát biztosít. Az oxigén igény a kisebb felületen át zajló diffúzióval pontosan egyensúlyba kerül, mivel a fűtési igény (55 W) is jóval kisebb. Egy új, átméretezett gömb paraméterei (0,001 emissziónál):
Paraméter Eredeti modell (30 cm) Módosított modell (14 cm)
Átmérő 30 cm 14 cm
Effektív emisszió 0,0001 0,001
Szükséges pernyetömeg 15,0 g 1,4 g
Széntartalom 0,30 g 0,03 g
Sugárzási veszteség ~256 W ~55,5 W
Becsült élettartam ~38,3 másodperc ~17,7 másodperc
Kémiai paraméterek
A vonalas villám spektrumában, [1], a hidrogénvonalak is fontosok lennének a levegő páratartalma miatt, míg a szén-monoxid molekula stabil marad a 4000 Kelvin körüli hőmérsékleten, és – ahogy a szén-dioxid is – nem rendelkezik erős emissziós vonalakkal a kamerák által rögzített 400–1000 nm-es látható/közeli infravörös tartományban. A hidrogén és a szén "láthatatlanná" vált a műszerek számára, mert kémiailag kötöttek. (Az ionok döntő többségét a pernye (hamu) könnyen ionizálódó alkáli- és alkáliföldfém-vegyületei adják, amelyek ionizációs potenciálja sokkal kisebb, mint a gázoké: Kálium-ionok, Nátrium-ionok, Kalcium- és Magnézium-ionok. A pernye porszemcséinek termikus ionizációjából származó fémionok biztosítják a plazma vezetőképességét, ha nem csak az elektronok forrók!) A szén, a reaktív gyökök és a hidrogén jelenléte szükségesek a modellekben. A kémiai formájuk (szén-monoxid gáz) és fizikai állapotuk (alacsony gerjesztettségű hidrogén, disszociált vízgőz) miatt nem okoznak olyan spektrumvonalakat, amelyeket a 900 méter távolságból mérő optikai spektrométerek rögzíteni tudtak volna. A spektrumot teljesen elnyomta a könnyen párolgó és alacsonyabb hőmérsékleten is fényesen világító talajfémek (talaj-elemek) ragyogása. A kínai kutatók nem azt bizonyították, hogy szén és hidrogén egyáltalán nincs a gömbben, hanem azt, hogy a gömbvillám fizikai állapota és energiája miatt a könnyen gerjeszthető talajfémek és a levegő atomjai voltak képesek vonalas spektrumot sugározni a látható tartományban.
A szén-dioxid molekula először szén-monoxidra és oxigénre bomlik, a folyamat 2700 °C és 3700 °C (3000–4000 K) között válik intenzívvé. A kínai gömbvillám 4000 °C körüli átlaghőmérsékletén a szén-dioxid jelentős része már átesett a bomláson. Mivel a gömbvillám átlagosan 4000 °C-os volt a kínai spektrumban, a szén-dioxid disszociált, de a folyamat megállt a szén-monoxid gáznál. A műszerek azért nem látták a szén jelenlétét, mert nem voltak szabad, gerjesztett szénatomok, amelyeknek a jellegzetes vonalait a spektrométer rögzíteni tudta volna. A szén-monoxid gáznak és a megmaradt szén-dioxidnak sincsenek erős, fényes emissziós vonalaik a kamerák által figyelt 400–1000 nm-es (látható és közeli infravörös) tartományban. A szén tehát kémiailag gázmolekulákba zárva maradt, miközben a talajból elpárolgó fémek (vas, szilícium, kalcium) atomjai teljesen szabadon, atomi állapotban ragyogtak ezen a hőmérsékleten.
A hidrogén begyújtása gyors láncreakciót indít el, amely a magas hőmérséklet miatt egymásba fonódó kémiai folyamatok sorozata. A folyamat nem egyszerűen egymás utáni lépésekből áll, hanem a hőmérséklet függvényében változó egyensúlyi reakciók folyamata. Először a hidrogén gyullad (szobahőmérséklettől ~1000 °C-ig az oxigénmennyiség függvényében) A hidrogén égése: A gyújtás hatására a keverékben lévő szabad gyökök (pl. -OH is) és vízgőz keletkezik, a reakció gyors és hőtermelő, ami a hőmérséklet gyors növekedését okozza. Ha sok hidrogén keletkezne, sok mindent megmagyarázna.
A szénpernye korai reakciója: 400–700 °C-on, a szénpernye reagál, nemcsak az oxigénnel ég, hanem a jelen lévő vízgőzzel is reagál (heterogén vízgáz-reakció).
A fémoxidok redukciója és a CO-égés (1000 °C – 2000 °C): nem a hő bomlasztja őket!): a fémoxidok ezen a hőmérsékleten még stabilok lennének a tiszta termikus bomlással szemben, de a hidrogén és a szén-monoxid agresszív redukálószerként lép fel. Elvonják az oxigént a fémoxidoktól, így a fémek redukálódnak elemi fémmé, vagy alacsonyabb rendű oxiddá, miközben újabb vízgőz és szén-dioxid keletkezik.
A CO égése: a szénpernyéből származó szén-monoxid reakcióba lép a hidrogén égéséből megmaradt oxigénnel, szén-dioxiddá alakulva, ami a klasszikus, stabil fűtés (hőtermelés) fázisa.
A disszociációs és egyensúlyi zóna (2000 °C – 3000 K+): ahogy a hidrogén és a szén intenzív égése a csúcshőmérséklet felé emeli a hőmérsékletet, a folyamat megfordul. A hőtermelő égési reakciókkal szemben felerősödnek a hőelnyelő (endoterm) disszociációs folyamatok indulnak be:
2000 °C körül a szén-dioxid körülbelül 1–2%-a elkezd visszaalakulni szén-monoxiddá és oxigénné, és a folyamat hőt von el a rendszertől. Kb. 2200 °C felett jellemző a vízgőz termikus disszociációja is, hidrogén, oxigén, és OH ionok keletkeznek, erősen endoterm a folyamat.
A fűtési csúcson (3000 K környékén) a szén-dioxid és a vízgőz jelentős része szétesik, a rendszer eléri a kémiai egyensúlyt. Az égés során felszabaduló hőt a disszociáció azonnal elnyeli. Ha a disszociáció átlépi az 50%-ot, a nettó hőtermelés megszűnik, a hőmérséklet nem képes tovább emelkedni kb. 4000 K-en.
Az Abrahamson - Dinnissa modell
Az irodalomban a legelfogadottabb modell az Abrahamson - Dinnissa modell [2]. Ha a talaj szilícium-dioxidot (homokot, kvarcot) és szerves anyagokat (szenet) tartalmaz a megfelelő arányban, a villám energiája redukciókat indít el. A modell szerint a szén redukálja a szilícium-dioxidot a kis oxigén fluxusnál 1500 Kelvin felett, aminek hatására tiszta szilíciumgőz keletkezik. Ahogy a forró szilíciumgőz hűl, az anyag kicsapódik (kondenzálódik), és parányi, nanométeres méretű szilíciumgömböcskék (nanorészecskék) permetévé alakul. A felületi töltések és erők hatására ezek a nanorészecskék láncokká, majd egy laza, könnyű, vattaszerű, szabályos gömbbé állnak össze, miközben sűrűsége alig nagyobb a levegőnél, ezért képes lebegni. (Szabályos? Rugalmas?) A Si részecskék égése stabilan (?), egyenletesen(?) fenntartja a ~ 2000 K-es hőmérsékletet a lebegéshez, a gömb méretétől függetlenül (?). Miután elégett, kihűlt a vattagömb, elporlad a váz, bár a gömbvillámok után csak gázállapotú maradékról (szagról) szólnak a megfigyelések..
Probléma, hogy a gömbvillámok az esetek 25-33 %-ában a semmiből keletkeznek, és a szilíciumos modell nem gyújtható be. Ha a struktúra teljesen kihűlt és a nanorészecskék felülete passziválódott (bevonta őket az inert szilícium-dioxid), a hálózat stabilitása és kémiai reaktivitása megszűnik. Külső, extrém energiabevitel (újabb elektromos ív vagy villámcsapás) nélkül a "szilícium-permet" nem képes spontán újra égni vagy gömbbé, gömbvillámmá alakulni. (Azaz, pl. mi a valószínűsége annak, hogy közvetlenül egy villámból keletkezik? Annak a valószínűsége, hogy egy hagyományos villámcsapás telibe találjon egy már létező gömbvillám maradékát, és begyújtsa matematikailag és fizikailag is a nullához közelít.)
A szilícium égését később brazíliai kutatók (António Pavão és Gerson Paiva) laboratóriumban tesztelték. Szilícium-lapkákon nagy erősségű (140 amperes) elektromos ívet vezetve olyan apró, világító, izzó szilíciumgömböket hoztak létre, amelyek másodpercekig pattogtak a laboratórium padlóján: ismert jelenség, hogy az ólomakkumlátorok sarui is szépen szikráznak érintéskor, mert apró izzó fém, ólomdarabkák szakadnak ki. Los Alamosban, amikor elhagyták a telepet az 1940-es években, kisütötték a 110 V-os nagy teljesítményű akkutelepet, és nagy méretű, centiméteres világító szikragömbök gurultak méterekre, melyek nem gömbvillámok. Bármelyik fém elektróda hasonlóan viselkedik nagy áramok esetén, részecskék szakadnak ki.
A kémiai - plazmafizikai modellezés további problémái
≈ 4000 Kelvines hőmérsékleten a lehetséges összetevők elemi állapotban vannak, kivéve a CO-t. A gömb energiavesztesége a hőmérséklet (Kelvin) negyedik hatványával és az effektív emisszió képességgel arányos, az utóbbit 10-4 - 10-3 nagyságrendűnek tételezzük fel. A sugárzási, konvektív, konduktív és kémiai energia veszteségeket kell fedezniük az alkotórészek elégésének. Egy további feltételt ad az égés sebességére a lebegés, amihez önszabályozó folyamatokat kellett találni. A nyilvánvaló, pl. a szén-dioxid → szén, a hidrogén → víz, alkotó elemek, az égéssel egyidejű disszociációján kivül, lényeges a villámok által keltett szabad gyökök, pl. a hidroxil gyökök keletkezése és rekombinációja magas hőmérsékleten: a folyamatok részben önszabályozó folyamatok a kínai spektrummérés hőmérsékletein, kihűlő plazma esetén.
A Yukawa porplazma a természetben gyakori jelenség, pernyéhez, füsthöz, meteorok égéséhez, UV sugárzáshoz köthető. A csatolási állandó, Γ = 50 -100 becslése, a felületi energiája miatt szükséges, mert a jelenség magyarázza a gömb alakot. A szemcsesűrűség, mint paraméter, és általában a bemenő paraméter tartományok megválasztásáról: az irodalomban elérhető sokféle modellből az marad érvényes, amelyik numerikus szimulációknál értelmes eredményt ad, pl. jó effektív felületi energia-együtthatót.
A magas hőmérsékletű rendszer kihűlési folyamata a felmelegedés tükörképe. Ahogy a rendszer veszít a hőmérsékletéből (a környezet felé történő hősugárzás vagy hővezetés miatt), a korábban beállt kémiai egyensúlyok eltolódnak, és a disszociált gázok újra egyesülnek. (Fizikai, elektromos sérülés esetén a felületi energia gyors változása azonnali megszűnést okoz.)
Rekombinációs zóna és utóégés (3000 K ➔ 2000 °C): a kihűlés kezdetén a legfontosabb jelenség a hőtermelő rekombináció. Mivel a hőmérséklet a kritikus 3000 K-es csúcs alá esik, a korábban disszociált (szétesett) gázmolekulák újra összekapcsolódnak. A vízgőz és CO₂ újra egyesülnek, a szabad gyökök (–OH, H, O) és a szén-monoxid (CO) is újra egyesülnek oxigénnel. A folyamat erősen exoterm (hőtermelő). Az újjáalakulás során felszabaduló kémiai energia lassítja, stabilizálja a rendszer kihűlését. A disszociáció során korábban "eltárolt" látens hő visszatáplálódik a rendszerbe.
A stabil szén-dioxid és vízgőz zónája (2000 °C ➔ 1000 °C): 2000 °C alatt a gázfázisban a szén-dioxid és a vízgőz stabilizálódik, a szabad gyökök eltűnnek. A CO-égés lezárulása: a maradék szén-monoxid és hidrogén utolsó nyomai is teljesen elégnek (oxidálódnak), amíg van jelen szabad oxigén, a diffúz oxigén fluxusa irányítja a folyamatot.
A fémek visszahűlése: a redukált elemi fémek vagy alacsonyabb rendű oxidok: a fémek felülete elkezdhet visszaoxidálódni, de az adott áramlási sebesség szerint a fémek stabil, redukált formában szilárdulnak meg és hűlnek tovább. Ha a szilíciumgőzt oxigén jelenlétében hűtjük, a szilícium-dioxid kondenzációja (gázból folyadékká alakulása) 2230 °C alatt kezdődik meg, és 1713–1726 °C között szilárdul meg teljesen. Kémiailag tiszta szilícium-dioxidot ad, a végeredmény nem homok lesz, hanem egy finom, fehér, amorf szilícium-dioxid por (más néven pirogén kova vagy füstszilika). Ha a környezetben van oxigén, már gáz halmazállapotban (akár 3000 °C felett) elkezdődik a reakció, amely során először szilícium-monoxid, majd szilícium-dioxid gőz keletkezik, és a gőz elkezd folyékony cseppekké lecsapódni.1713 °C körül (a kvarc olvadáspontjánál) a folyadék szilárd fázisba megy át.
A heterogén reakciók lecsengése (1000 °C ➔ 400 °C): a hőmérséklet további esésével a gázok és a szilárd fázis közötti (heterogén) kémiai reakciók sebessége lelassul. A vízgáz-reakció megállása 700 °C-on, majd 400 °C alatt a megmaradt szénpernye és a vízgőz közötti reakció megszűnik. A szén már nem képes elvonni az oxigént a víztől.
Fizikai hűlés: a rendszerben már nem zajlanak érdemi kémiai átalakulások. A keletkezett égéstermékek (vízgőz, CO₂), a maradék co, a redukált fémek és a hamu tiszta fizikai hősugárzással és konvekcióval (áramlással) adják le megmaradt hőtartalmukat a környezetnek. Kondenzációs fázisban a gázkeverék 100 °C alá hűl, a rendszer eléri a fizikai fázisátalakulás határát, a vízgőz folyékony vízzé kondenzálódik. A reakciók súlyai az alkotórészek mennyiségeinek a függvényei. A korlátozott oxigén diffúzó miatt az égési és disszociációs folyamatok, továbbá a rekombináció a hőmérsékletet stabilizálizáló, visszacsatolt folyamatok.
Következtetések
A fizika elméletei úgy fejlődnek, hogy határesetben (közelítések esetén) tartalmazzák a korábbi, bevált elméletek eredményeit, az elvet korrespondencia-elvnek nevezzük. Amikor egy új, átfogóbb fizikai elmélet születik, nem teszi teljesen hamissá a régit, hanem kijelöli a régi érvényességi korlátait. Az általánosított leírásban a gömbvillám a külső elektromágneses tereket tekintve autonóm, anyagát tekintve inhomogén, az energiaveszteségeit kémiai égési folyamatok pótolják, az égési folyamat egy része önszabályozó.
A Yukawa porplazma kísérletek a napjainkban gyakoriak, a gravitáció hatását az elektromos terek felhajtó erejével egyenlítik ki. A leggyakoribb módszer, ahol 13,56 MHz-es váltakozó áramú elektromos teret kapcsolnak a kísérleti kamrára. Átalakítható a kísérlet szén, szilíciumporos fűtésre, pernyeporra, valamilyen gyújtással. Lehetségesnek látszik a gömbvillámok mesterséges előállítása, kellő óvatossággal. Az energetikai hasznosítása kérdéses, annak ellenére, hogy a mozgása légárammal szabályozható.
Irodalom
[1] 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
[2] 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, pages 519–521., 2000. February 3.
[3] Google helyett a Gemini AI keresőgépét használtam.