A GÖMBVILLÁM LEÍRÁSA
(2024 június)
ABSTRACT
A gömbvillám fizikáját az ívfény és a parázsfény fizikájával magyarázzuk. Az ívfény színét ionizált oxigén és nitrogén atomok okozzák. Szerencsés esetben a gömbvillám spektrumában mérhetőek az oxigén és a nitrogén vonalai. A nitrogén oxidok hő hatására jönnek létre, villámlás -és légköri ívfény- során a nitrogén természetes módon oxidálódik, és jellegzetes szagú nitrogén oxidok jönnek létre, a tapasztalatoknak megfelelően. Az ívfény esetén a termikus ionizáció a jellemző, koronakisülés esetén a földfelszínhez kötött ütközéses ionizáció. Mind a kétféle ionizáció oka a plazma negatív ellenállású (dinamikus ellenállás, ami zérus feszültségnél nem létezik) állapota, a kettőt elválasztja egy pozitív ellenállású réteg, amit a gömbvillám stabilitási feltételének tekintünk, felületi jeneséget okoz. A negatív ellenállású állapotban a feszültség csökkenésekor is nő az áramerősség, azaz az ionok száma, és az áramerősséget csak a megmaradási törvények korlátozzák. A kifelé semleges plazma gömbalakját felületi jelenségekből származtatjuk: a plazma a negyedik halmazállapot: https://mscms.uni-pannon.hu/images/Education/Boda/FizKem_II_6-feluleti-jelensegek.pdf, ami a felületi feszültséghez hasonló jelenséget okoz.
A gömbvillám kialakulása: A villámok fizikájában leírt jelenség, hogy léteznek a Földről induló színes ioncsatornák. Nehezen foltozhatóak, csak a nagysebességű kamerák felvételein észlelhetőek, nem a felhővillámok részei. Amikor elektromos légköri feszültség több tízezer Volt/centiméter, ionizálja a levegőben az oxigént, nitrogént. A Földről induló, helyhez kötött ioncsatornákat ionizált oxigén és nitrogén atomok alkotják. A gömbvillámok forrásai a Földről induló ioncsatornák, a feltételezésünk szerint. Ha a légköri feszültség elegendően nagy, és ha az ionok elegendő számban jöttek létre, kialakul az ioncsatorna negatív ellenállású állapota, amit parázsfényként, koronakisülésként ismerünk. A koronakisülésnél az elektron lavinák ütközéses ionizáció-t okoznak. A folyamat önmagát gerjeszti, és létrejön a negatív ellenállású állapot, ami csökkenő feszültségnél is növeli az elektron lavinák intenzitását: a csatorna néha függetlenné válik a külső feszültségtől, a földfelszíntől, és kialakul egy gömbvillám: egy olyan negatív ellenállású állapot, amit ekkor termikus emisszió jellemez. A termikus emisszió növeli a részecskék mozgékonyságát, a plazma szabadon lebeghet.
Az ívfény negatív ellenállású jelenségével és egy pozitiv elleállású réteggel magyarázzuk a gömbvillámok stabilitását. A gömb középen a legintenzívebb a termikus emisszió, ami a felfújódó gömb alak oka. A felületén alacsonyabb a hőmérséklet, a parázsfény a jellemző, a peremén lekombinálódnak az ionok. A gömbvillám összességében elektromosan közel semleges. A peremen kiáramló, nagy hőmérsékletű rekombinált ionok, azaz meleg molekulák száma és a beáramló hideg gázmolekulák száma fordítva arányos a hőmérsékletükkel, azaz nin Tin = nout Tout , mert a transzlációs sebességük azonos, csak a hőmozgásuk arányos a hőmérséklettel. A nagy részecskeszám különbség nagy nyomáskülönbséget eredményezne, így a beáramló hideg gázmolekulák összetartják a gömvillámot. // DESCRIPTION OF THE BALL LIGHTNING: Ball lightning: a rare type of lightning, with an opalescent nebula at the edge, a floating spherical shape, and an arc inside, often seen during thunderstorms. The colour is determined by oxygen and nitrogen ions. The opalescent glow is caused by a surface corona discharge, with electron avalanches, with negative differential resistance. The inner region is characterized by thermal ionization, with negative differential resistance, as well, the corona discharge and thermal ionization are separated by a layer of positive resistance. No external voltage is required for its emergence. On the surface, electrons recombine and participate in collision ionization, the latter also being the electrons of the avalanches. The cohesive effect of the positive resistance layer: from a distance the sphere is almost electrically neutral, the surface phenomenon of the layer holds the ball together, causing the spherical shape because there are surface phenomena at phase boundaries (plasma is the fourth state of matter: https://mscms.uni-pannon.hu/images/Education/Boda/FizKem_II_6-feluleti-jelensegek.pdf). The temperature is lower on the surface, where the glow is characteristic, the ions combine at the edge. Ball lightning is electrically neutral overall. There is a positive resistance spherical layer between the two ionized regions, which results in a cohesive surface force, similar to surface tension. The number of high-temperature combined ions flowing out at the edge, i.e. the number of hot molecules flowing out and the number of cold gas molecules flowing in, is inversely proportional to their temperature and speed. The thermal emission is most intense in the centre of the sphere. We explain the light and stability of ball lightning with a sphere layer of positive resistance with the negative resistance phenomenon of arc light.
BEVEZETÉS
A kutatás egyik eszköze az internetes keresés volt. Egy szép kis videó: https://videa.hu/videok/tudomany-technika/lefilmezett-gombvillam-para-Ak1xNJku6ZX0v6pi. A gömbvillámoknak a fizika közel minden szóba jövő témakörét lefedő számos magyarázata* létezik. A hipotézisek centrális erőtereket, vagy ritkán elő forduló részecskéket feltételeznek, nem elfogadott magyarázatok. A gömbvillám légköri jelenség, a feltételezésünk szerint a levegő, a nitrogén és az oxigén ionjai alkotják a gömbvillámokat, és a töltéskisülés jelenségeivel leírhatóak.
A koronakisülés színes, közel gömbszerű légköri ionizációs jelenség, de a ionjainak forrása helyhez kötött, jellemzője a parázsfény. Mesterséges előállítása tűelektródákkal történik, előállításához nagyfeszültség szükséges, elektron lavinák okozzák az ionizációt. A parázsfény nagyobb feszültségnél (a gyújtási feszültségnél) ívfénnyé alakul.
Irodalmi áttekintés*: a gömbvillám nem ritka jelenség, sok nem elfogadott magyarázatát publikálták. A légkör- és a villámfizikára vonatkozóan ld.: R.P. Feynman-R.B. Leighton-M. Sands: Mai Fizika, 5. kötetet, (120. o. Műszaki Könyvkiadó, 1969. ETO 53 "19" (082)), ahol a "Légköri elektromosság" című fejezetben összefoglalták a szerzők a villámok fizikáját. Az elektromos légköri feszültség több tízezer Volt/centiméter lehet, ami ionizálja az oxigént, nitrogént. Az irodalmi hipotézisekben tényleges különbség a töltött részecskék minőségében és az őket összetartó centrális erőterek eredetében van.
A legegyszerűbb hipotézist keresve elvetettük a centrális összetartó erőteret. A légköri feszültség elegendően nagy értékénél önfenntartó plazma alakul ki egy negatív ellenállású állapotban, csökkenő feszültségnél is nő az elektronok mozgékonysága, az energiamegmaradás adta korlátokon belül. Az ioncsatornában a hőmérséklet emelkedés miatt kialakul a megfigyelt felfújódó gömb alak, melynek a felületén lekombinálódnak az ionok. A lebegő gömbvillám belsejében a nyomás közel állandó a gyújtásfeszültség felett, a hőmérséklet maximuma a középpontban van.
Az ionok forrásai: van a villámoknak egy, a Földről vagy repülőgépekről induló, nehezen észrevehető ioncsatorna fajtája is. A "földfelületről, főként a kiemelkedő, hegyes részekből is megindul kis lépésekben a pozitív előjelű elektromosság cikk-cakkos áramlása a felhő felé, de a felhőt sohasem éri el. A Föld felől kiinduló áramlás jellegzetessége a lilás, rózsaszínes fény, (parázsfény, ami csak nagy sebességű kamera felvételein észlelhető. Nedves levegőben az elektron lavina megindulásához körülbelül 100 kV/m elektromos térre van szükség). A felhőből kiinduló csatorna pedig általában fehér színű." (https://en.wikipedia.org/wiki/Lightning). A Földről induló, nehezen észrevehető ioncsatorna összeomlik, ha nem találkozik a felülről induló ioncsatornával, villámmal.
Az ívkisülés ismert jelenségével, termikus emisszióval és negatív ellenállással magyarázzuk a gömbvillámok stabilitását. Az ionfelhő hőmérséklete és a rekombináció okozzák a gömb alakot. A jelenség kialakulásának energiáját az elektromos légköri feszültség biztosítja. Makroszkopikusan elektromosan semleges, de plazma. Megszűnését a rekombináció és az energiamegmaradás okozza.
A gömbvillám leírása: forrása a földfelületről induló, nehezen észrevehető ioncsatornák. Az ionok a Föld felszínről származnak, a légköri feszültség hozza létre a csatornákat, és nem stabil jelenségek, ütközéses ionizáció a jellemző. Gázkisülésnél a jelenség neve koronakisülés (parázsfény, Szent Elmo tüze, https://en.wikipedia.org/wiki/St._Elmo%27s_fire, hideg plazma), és negatív ellenállás jellemzi.
A parázsfényű csatorna elég nagy légköri feszültségnél elszakad a földfelszíntől, és kialakul egy gömbvillám: egy olyan negatív ellenállású állapot, amit már termikus emisszió jellemez. A termikus emisszió növeli a részecskék mozgékonyságát, a plazma szabadon lebeghet.
Az ívfény állapot a Föld felszínétől független, stabil jelenség néhány 10 másodpercre, a megmaradási törvényeknek megfelelően. A villámok a Földről vagy repülőgépekről, esetleg nagy kapacitású más helyekről induló ioncsatornái megfelelő forrásai a gömbvillámoknak.
A gömb mérete, térfogata, nyomása, és így az ionok száma lényegében állandó, ami úgy lehetséges, hogy a felületén közel annyi ion rekombinálódik, amennyi a belsejében keletkezik a termikus emisszió következtében egyensúlyi állapotban. A nyomás és a térfogat jó közelítéssel állandó (a hőmérséklet lassan csökken a sugárirányban és időben a hőveszteség miatt). Külső energiaforrás nélkül saját energiáját fogyasztva hűl, erős az elektromágneses (fény, hő) vesztesége, a részecskék lekombinálódnak, és a gyújtásfeszültség alatt összeomlik az ívgömb.
A gyújtásfeszültség felett a belsejében az ionizáció jellemző. A felületén parázsfény és a rekombináció a jellemző, a hőmérséklet-eloszlás következménye a szimmetrikus gömbalak. Az ionok radiális sűrűségeloszlása függvénye a nem ionizált oxigén és nitrogén molekulák szabad úthosszának, melyek a felületéről visszaáramlanak.
A SARKI FÉNYRŐL
A sarki fény töltött részecskéinek eredete: a napszéllel nagy energiájú elektronok és protonok közelednek a Föld felé, a földi mágneses mező ezeket a töltött részecskéket a pólusok felé irányítja, módosítja a részecskék irányát. A töltött részecskék követik a mágneses erővonalakat a felső légkörbe, gázatomokkal (főleg oxigénnel és nitrogénnel) ütköznek, az ütközések gerjesztik a gázatomokat (hideg plazma), ami fénykibocsátásra készteti a gázatomokat. A sarki fény színe a gáz típusától és attól függ, hogy milyen magasságban történnek az ütközések, pl. más az oxigén ionok színe nagy magasságban (zöld), és más alacsonyan (sárgás, ritkábban vörös).
Amennyiben színeket feleltetünk meg a hőmérsékletnek és a hullámhosszaknak 1800K és 5600K fok között, akkor:
Szin hőmérsékletek: (https://hu.wikipedia.org/wiki/Sz%C3%ADnh%C5%91m%C3%A9rs%C3%A9klet)
A KORONAKISŰLÉS, ÍVFÉNY
A gömbvillámok keletkezésének fizikai modellezésére ismert jelenségeket használunk, a koronakisülést, aminek a Földről induló, nehezen észrevehető ioncsatorna a forrása (https://en.wikipedia.org/wiki/Corona_discharge). A koronakisülés a levegő helyi ionizációja, és olyan helyeken keletkezik, ahol az elektromos mező (potenciálgradiens) erőssége meghaladja a levegő dielektromos szilárdságát, az utóbbi erősen függ a páratartalomtól. Gyakran kékes izzásként látható a levegőben (Szent Elmo-tűz).
Két fajtája van, a pozitív és negatív koronák. A kétféle koronakisülés fizikai működése alapvetően eltér. Oka, hogy az elektronok és a pozitívan töltött ionok tömege, mozgékonysága lényegesen különbözik. Amikor az elektronok ütközéses ionizációt okoznak, elég nagy feszültség különbségnél az elektronlavinák keletkeznek könnyebben. Pozitív koronában az összes elektron befelé mozog az ionfelhőbe, az ionok pedig kifelé taszítódnak, a negatív koronában ellenkezőleg.
A gömbvillám egy folyamat, nem statikus töltések alkotják. A korona fényét az okozza, hogy az elektronok pozitív ionokkal rekombinálódva semleges atomokat alkotnak, amikor az elektron visszatér az eredeti energiaszintjére, fotonokat bocsát ki. A fotonok további atomok ionizációját is okozhatják, fenntartva az ionizációt.
Elég nagy légköri feszültségnél a folyamat önmagát gerjeszti (negatív ellenállású állapot: az áram állandó vagy nő, miközben a feszültség csökken vagy állandó), ami
az önfenntartó plazma stabilitásának feltétele.
A levegő gyújtási feszültségénél az elektronok már elegendően nagy energiájúak ahhoz, hogy képesek legyenek termikus emisszióra, (https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_ionization), megjelenik az ívfény. Az ívfényt a termikus elektron emisszió jellemzi, a plazmában többszörösen ionizált atomok is lehetnek, és a hőmérséklete ugrásszerűen megnő (10 000 K fok is lehet), ez a gömbvillám esete.
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 indokolható, ekkor termikus elektronok képződnek nagy számban, melyek a felületi rekombinációval tartanak egyensúlyt.
Lényeges lépés volt a meggondolásban a koronakisülés elemzése, ami egyszerűen értelmezhetővé teszi a negatív ellenállás jelenségét ütközéses ionizáció esetén. A negatív (differenciális vagy dinamikus) ellenállás plazmákban, félvezetőkben értelmezett jelenség, előfeszített terheléseknél fordul elő, azaz U ≈ 0 feszültségnél nem létezik.
Az elektromos kisülés feszültség-áram összefüggése: az önfenntartó kisülést elektron lavinák jellemzik. Kisebb feszültségnél fényemisszió nélkül (átmeneti szakasz, sötét kisülés), aztán parázsfényes izzó kisülés következik ütközéses elektron lavinákkal (parázsfény és koronakisülés: a fényt gerjesztett semleges atomok bocsátják ki). Az elővillámhoz parázsfény, növekedő árammal csökkenő feszültség, negatív ellenállás tartozik ütközéses elektronvezetéssel, egy ioncsatorna, ami nem gömbvillám. A folyamatok légköri nyomáson történnek. Ezután a töltéshordozók termikus emisszióval ionizálnak, kisülés önfenntartó ívkisülésbe megy át. Megszakad a kapcsolat a talajjal, növekszik a áramlás intenzitása.
A hőmérséklet elegendő a gázmolekulák elektronjainak termikus emissziójához, felfújódó gömb alak jellemző a gyújtásfeszültség felett, a felületen lekombinálódnak az ionok. Ez a magas hőmérsékletű ívkisülés szakasza, a meleg plazma állapot, ld. a videót: https://www.youtube.com/watch?v=1bBNeyrMOJE.
A sugár menti eloszlások: a gömb mérete, térfogata, nyomása közel állandó, az ionok száma időben lassan csökkenhet a rekombináció következtében. A hőmérséklet csökken sugárirányban és az időben is, a hőveszteség miatt. A felületén az elektronlavinák (parázsfény) lehet a jellemző, a sugárirányban csökkenő hőmérsékletnek és a megfigyeléseknek megfelelően, az ívgömbben a termikus elektronemisszió a jellemző.
Az energiamegmaradás törvényének megfelelően a termikus emisszió egy ideig fennmarad csökkenő külső feszültségnél is. Külső energiaforrás nélkül saját energiáját fogyasztva hűl, erős az elektromágneses (fény, hő) vesztesége, majd a gyújtásfeszültség alatt összeomlik az ívgömb. A felületi rétegben a rekombináció miatt az ionsűrűség elhanyagolható nagyságúvá válik, a konventív hővezetés miatt kívülről pótlódnak a levegőmolekulák. A peremen kiáramló, nagy hőmérsékletű rekombinált ionok, azaz meleg molekulák száma és a beáramló hideg gázmolekulák száma fordítva arányos a hőmérsékletükkel, azaz nin Tin = nout Tout , mert a transzlációs sebességük azonos, csak a hőmozgásuk arányos a hőmérséklettel. A nagy részecskeszám különbség nagy nyomáskülönbséget eredményezne, így a beáramló hideg gázmolekulák összetartják a gömvillámot.
Kívülről az ívgömb semleges, az ionizációból következik, hogy az elektronok és az ionok száma kb. azonos (https://hu.wikipedia.org/wiki/Debye%E2%80%93H%C3%BCckel-elm%C3%A9let). Közelítőleg, mert az elektronok mozgékonyabbak.
A gyújtásfeszültség felett a gömbvillámon belül a termikus ionizáció jellemző. A felületén a rekombináció a jellemző, a hűlés, a hőmérsékleteloszlás következménye a szimmetrikus gömbalak. Az ionok radiális sűrűségeloszlása a félsugárig és közelében maximumot mutathat a sugár függvényében, hogy a még nem ionizált oxigén és nitrogén molekulák milyen távolságig jutnak be kívülről, a felületéről. A rekombinálódott levegőmolekulák az ívgömb belsejébe mozognak, az ellenkező irányú mozgásuk a atmoszferikus nyomást megváltoztatná, tehát egyensúlyi az állapota. Ezért nem a konventív energiaveszteség jellemző, ha nem a sugárzó veszteségek. A levegő rossz hővezető képessége miatt a konduktív veszteség viszonylag kicsi. Az elektromágneses erőkhöz viszonyítva gyenge erőtér tartja összea kifelé semleges plazmagömböt.
A gömbvillámon belül az elektronok és a pozitív ionok szabad úthosszai a meghatározóak, az elektronoké kb. 5.5 -szörös. Az ütközések csökkentik az elektronok, ionok energiáját, az ütközésekből származó energiaveszteség lassítja a részecskék mozgását negatív ellenállás esetén is.
(Az ionok mozgása máshol, szupravezetésnél -azaz zérus ellenállás- esetén is kutatás tárgya: https://www.popularmechanics.com/science/a62121695/edge-state-atoms-energy-transmission/)
A másodlagos ioncsatorna, elővillám zöld parázsfénnyel (Upwards streamer emanating from the top of a pool cover, https://en.wikipedia.org/wiki/Lightning#cite_ref-57)
Gömbvillám (lightning ballang): ritka villám típus, a pereme opálos ködfény, lebegő gömb alakú, belül ívfény jelenség, gyakran zivatarok idején. A szinét az oxigén és nitrogén ionok határozzák meg. Az opálos izzását felületi koronakisülés okozza, elektronlavinákkal, negatív differenciális ellenállással. Termikus ionizáció jellemzi a belső tartományt, negatív differenciális ellenállással, a koronakisülést és a termikus ionizációt elválasztja egy pozitív ellenállású réteg. Fennnaradásához külső feszültség már nem szükséges. A felületén az elektronok rekombinálódnak, és az ütközéses ionizációban vesznek részt, az utóbbiak a lavinák elektronjai is. A pozitív ellenállású réteg összetartó hatása: távolról a gömb közel elektromosan semleges, a réteg felületi jelensége tartja össze, magyarázza a gömb alakot (a plazma a negyedik halmazállapot: https://mscms.uni-pannon.hu/images/Education/Boda/FizKem_II_6-feluleti-jelensegek.pdf). A felületén alacsonyabb a hőmérséklet, ahol a parázsfény a jellemző, a peremén lekombinálódnak az ionok. A gömbvillám összességében elektromosan semleges. A két ionizált tartomány között egy pozitív ellenállású gömbréteg van, ami egy összetartó felületi erőt eredményez, a felületi feszültséghez hasonlót.
A peremen kiáramló, nagy hőmérsékletű lekombinált ionok, azaz a kiáramló meleg molekulák száma és a beáramló hideg gázmolekulák száma fordítva arányos a hőmérsékletükkel, a sebességükkel, azaz nin vin = nout vout , a gömb középen a legintenzívebb a termikus emisszió. Az ívfény negatív ellenállású jelenségével magyarázzuk a gömbvillámok fényét, stabilitását egy pozitív ellenállású gömbréteggel.
*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,
- https://anyanyelvcsavar.blog.hu/2018/07/20/a_villamok_nepi_osztalyozasa_kulonos_tekintettel_a_gombvillamra)
- 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).
- Gázkisülések: https://plasma.szfki.kfki.hu/~zoli/plazmafizika_2016/donko_plazma_2016_5.pdf, https://fizikaiszemle.elft.hu/archivum/fsz0410/TarD.pdf
- 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, 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)
- (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):
- https://www.youtube.com/watch?v=1bBNeyrMOJE, //www.tiktok.com/@discoveriesoftheworld/video/7209600237185273093?lang=hu-HU" style="color: #0000ff;">
- 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.
**
Közvetlen mérés, a gömbvillám emissziós spektruma
Egy gömbvillám emissziós spektruma
(intenzitás a hullámhossz függvényében, https://en.wikipedia.org/wiki/Ball_lightning)
2014 januárjában a kínai Lanzhouban található Northwest Normal University tudósai publikálták a 2012 júliusában készített felvételeik eredményeit egy, a Tibeti-fennsíkon a közönséges felhő-talaj villámok tanulmányozása során véletlenül keletkezett, vélhetően természetes gömbvillám optikai spektrumáról. 900 méteres távolságból összesen 1,64 másodpercnyi digitális videót készítettek a gömbvillámról és spektrumáról, a gömbvillám kialakulásától a földbe csapódó közönséges villám után egészen a jelenség optikai bomlásáig. További videót rögzített egy nagy sebességű (3000 képkocka/másodperc) kamera, amely korlátozott felvételi kapacitása miatt az eseménynek csak az utolsó 0,78 másodpercét örökítette meg. Mindkét kamera rés nélküli spektrográffal volt felszerelve. A kutatók semleges atomos szilícium, kalcium, vas, nitrogén és oxigén emissziós vonalait észlelték – ellentétben a kiindulási villám spektrumában főként ionizált nitrogén emissziós vonalakkal. A gömbvillám vízszintesen haladt át a videoképkockán, átlagosan 8,6 m/s (28 láb/s) sebességgel. Átmérője 5 méter volt, és körülbelül 15 méteres távolságot tett meg 1,64 másodperc alatt.
A fényintenzitás, valamint az oxigén- és nitrogénkibocsátás 100 hertzes frekvenciájú oszcillációit figyelték meg, amelyeket valószínűleg a közelben lévő 50 Hz-es nagyfeszültségű távvezeték elektromágneses tere okozott. A spektrum alapján a gömbvillám hőmérsékletét alacsonyabbnak becsülték, mint az alapvillám hőmérsékletét (<15 000 és 30 000 K között). A megfigyelt adatok összhangban vannak a talaj párolgásával, valamint a gömbvillám elektromos mezőkkel kapcsolatos érzékenységével.[https://en.wikipedia.org/wiki/Ball_lightning]
****
Ionoszféra: A Föld felső légkörében a semleges részecskék sűrűsége elegendően alacsony, így a semleges részecskékből az ionizálás során felszabaduló szabad elektronok elegendő ideig megmaradnak, mielőtt újra rekombinálódnának.
Az ionizáció az a folyamat, melynek során elektromosan semleges atom vagy molekula elektront veszít vagy elektront vesz fel a környezetéből. A Föld felső légkörében sokkal gyakrabban jönnek létre pozitívan töltött ionok (elektron eltávolításával), mint negatív töltésűek (elektron felvételével). Ezeket az elektronokat vagy a Napból származó nagy energiájú fotonok (többnyire UV- és röntgensugarak) „ütik ki”, vagy gyors részecskék semleges gázzal való ütközése során jönnek létre. 300 km-es magasságban vannak legnagyobb sűrűségben a szabad elektronok és ionok. Ezt a réteget nevezzük ionoszférának. Mivel az ionizációt a Nap elektromágneses sugárzása hozza létre, ezért a Föld nappali oldalán van a legnagyobb sűrűsége az ionoszférának. Azonban az éjszakai oldalon sem szűnik meg teljesen az ionoszféra, mivel az elektronok és ionok rekombinációs ideje összemérhető a Föld forgási periódusidejével. A rekombináció sebessége függ a sűrűségtől, ezért alacsony magasságokban gyorsabb, és sebessége kisebb a magasság növekedésével, és még a hőmérséklettől. Az ionizálás egy dinamikus folyamat, melyben a ionok keletkezése és megszűnése folyamatosan zajlik.
A GÖMBVILLÁM LEÍRÁSA
(2024 június)
ABSTRACT
A gömbvillám fizikáját az ívfény és a parázsfény fizikájával magyarázzuk. Az ívfény színét ionizált oxigén és nitrogén atomok okozzák, a gömbvillám spektrumában mérhetőek az oxigén és a nitrogén vonalai. A nitrogén-oxidok hő hatására jönnek létre, villámlás -és légköri ívfény- során a nitrogén természetes módon oxidálódik, és jellegzetes szagú nitrogén oxidok jönnek létre, a tapasztalatoknak megfelelően. Ívfény esetén termikus ionizáció a jellemző, koronakisülés esetén a földfelszínhez is kötött ütközéses, lavinás ionizáció. A plazma negatív ellenállású (dinamikus ellenállás, ami zérus feszültségnél nem létezik) állapotát és a a felette kialakuló pozitív ellenállású gömbréteget tekinthető a gömbvillám stabilitási feltételének. A negatív ellenállású állapotban a feszültség csökkenésekor is nő az áramerősség, azaz az ionok száma, és az áramerősséget csak a megmaradási törvények korlátozzák. A kifelé semleges plazma gömbalakjának magyarázata felóleti jelenség.
A gömbvillám kialakulása: A villámok fizikájában leírt jelenség, hogy léteznek a Földről induló színes láthatatlan ioncsatornák. Nehezen foltozhatóak, csak a nagysebességű kamerák felvételein észlelhetőek, nem a felhővillámok részei. Amikor elektromos légköri feszültség több tízezer Volt/centiméter, ionizálja a levegőben az oxigént, nitrogént. A Földről induló, helyhez kötött ioncsatornákat ionizált oxigén és nitrogén atomok alkotják. A gömbvillámok forrásai ezek a Földről induló ioncsatornák. Ha a légköri feszültség elegendően nagy, és ha az ionok elegendő számban jöttek létre, kialakul az ioncsatorna negatív ellenállású állapota, amit parázsfényként, koronakisülésként ismerünk. A koronakisülésnél az elektron lavinák ütközéses ionizáció-t okoznak. A folyamat önmagát gerjeszti, és létrejön a termikus elektron emisszió miatt a negatív ellenállású állapot, ami csökkenő feszültségnél is növeli az elektron lavinák intenzitását.
A parázsfényű csatorna elég nagy légköri feszültségnél elszakad a földfelszíntől, és kialakul egy gömbvillám: egy olyan negatív ellenállású állapot, amit már termikus emisszió jellemez. A termikus emisszió növeli a részecskék mozgékonyságát, a plazma szabadon lebeghet.
Az ívfény negatív dinamikus ellenállású jelenségével magyarázzuk a gömbvillámok fényét és egy pozitív ellenállású réteg kialakulását, stabilitását. A gömb középen a legintenzívebb a termikus emisszió. A gömb alak oka a hőmérsékleteloszlás és az ionok rekombinációja. A felületén alacsonyabb a hőmérséklet, a parázsfény a jellemző, a peremén lekombinálódnak az ionok. A gömbvillám összességében elektromosan közel semleges. A peremen kiáramló, nagy hőmérsékletű rekombinált ionok, azaz meleg molekulák száma és a beáramló hideg gázmolekulák száma fordítva arányos a hőmérsékletükkel, azaz nin Tin = nout Tout , mert a transzlációs sebességük azonos, csak a hőmozgásuk arányos a hőmérséklettel. A nagy részecskeszám különbség nagy nyomáskülönbséget eredményezne, így a beáramló hideg gázmolekulák összetartják a gömvillámot.// DESCRIPTION OF THE BALL LIGHTNING: Ball lightning: a rare type of lightning, with an opalescent nebula at the edge, a floating spherical shape, and an arc inside, often seen during thunderstorms. The colour is determined by oxygen and nitrogen ions. The opalescent glow is caused by a surface corona discharge, with electron avalanches, with negative differential resistance. The inner region is characterized by thermal ionization, with negative differential resistance, as well, the corona discharge and thermal ionization are separated by a layer of positive resistance. No external voltage is required for its emergence. On the surface, electrons recombine and participate in collision ionization, the latter also being the electrons of the avalanches. The cohesive effect of the positive resistance layer: from a distance the sphere is almost electrically neutral, the surface phenomenon of the layer holds the ball together, causing the spherical shape because there are surface phenomena at phase boundaries (plasma is the fourth state of matter: https://mscms.uni-pannon.hu/images/Education/Boda/FizKem_II_6-feluleti-jelensegek.pdf). The temperature is lower on the surface, where the glow is characteristic, the ions combine at the edge. Ball lightning is electrically neutral overall. There is a positive resistance spherical layer between the two ionized regions, which results in a cohesive surface force, similar to surface tension. The number of high-temperature combined ions flowing out at the edge, i.e. the number of hot molecules flowing out and the number of cold gas molecules flowing in, is inversely proportional to their temperature and speed. The thermal emission is most intense in the centre of the sphere. We explain the light and stability of ball lightning with a sphere layer of positive resistance with the negative resistance phenomenon of arc light
BEVEZETÉS
A kutatás egyik eszköze az internetes keresés volt. Egy szép kis videó: https://videa.hu/videok/tudomany-technika/lefilmezett-gombvillam-para-Ak1xNJku6ZX0v6pi . A gömbvillámoknak a fizika közel minden szóba jövő témakörét lefedő számos magyarázata* létezik. A hipotézisek centrális erőtereket, vagy ritkán elő forduló részecskéket feltételeznek, nem elfogadott magyarázatok. A gömbvillám légköri jelenség, a feltételezésünk szerint a levegő, a nitrogén és az oxigén ionjai alkotják a gömbvillámokat, és a töltéskisülés jelenségeivel leírhatóak.
A koronakisülés színes, közel gömbszerű légköri ionizációs jelenség, de a ionjainak forrása helyhez kötött, jellemzője a parázsfény. Mesterséges előállítása tűelektródákkal történik, előállításához nagyfeszültség szükséges, elektron lavinák okozzák az ionizációt. A parázsfény nagyobb feszültségnél (a gyújtási feszültségnél) ívfénnyé alakul.
Irodalmi áttekintés*: a gömbvillám nem ritka jelenség, sok nem elfogadott magyarázatát publikálták. A légkör- és a villámfizikára vonatkozóan ld.: R.P. Feynman-R.B. Leighton-M. Sands: Mai Fizika, 5. kötetet, (120. o. Műszaki Könyvkiadó, 1969. ETO 53 "19" (082)), ahol a "Légköri elektromosság" című fejezetben összefoglalták a szerzők a villámok fizikáját. Az elektromos légköri feszültség több tízezer Volt/centiméter lehet, ami ionizálja az oxigént, nitrogént. Az irodalmi hipotézisekben tényleges különbség a töltött részecskék minőségében és az őket összetartó centrális erőterek eredetében van.
A legegyszerűbb hipotézist keresve elvetettük a centrális összetartó erőteret. A légköri feszültség elegendően nagy értékénél önfenntartó plazma alakul ki egy negatív dinamikus ellenállású állapotban, csökkenő feszültségnél is nő az áram, az elektronok mozgékonysága, az energiamegmaradás adta korlátokon belül. Az ioncsatornában a hőmérséklet emelkedés miatt kialakul a megfigyelt felfújódó gömb alak, melynek a felületén lekombinálódnak az ionok. A plazma egy új halmazállapot, a fázisváltozásokat speciális felületi jelenségek kisérik- pl. a felületi feszültség-, a plazma esetén egy összetartó erőt eredményez. A lebegő gömbvillám belsejében a nyomás a légköri, és közel állandó a gyújtásfeszültség felett, a hőmérséklet maximuma a középpontban van.
Az ionok forrásai: van a villámoknak egy, a Földről vagy repülőgépekről induló, nehezen észrevehető ioncsatorna fajtája is. A "földfelületről, főként a kiemelkedő, hegyes részekből is megindul kis lépésekben a pozitív előjelű elektromosság cikk-cakkos áramlása a felhő felé, de a felhőt sohasem éri el. A Föld felől kiinduló áramlás jellegzetessége a lilás, rózsaszínes fény, (parázsfény, ami csak nagy sebességű kamera felvételein észlelhető. Nedves levegőben az elektron lavina megindulásához körülbelül 100 kV/m elektromos térre van szükség). Míg a felhőből kiinduló csatorna általában fehér színű." (https://en.wikipedia.org/wiki/Lightning). A Földről induló, nehezen észrevehető ioncsatorna összeomlik, ha nem találkozik a felülről induló ioncsatornával, villámmal.(Általában a villámokról: https://www.origo.hu/tudomany/2025/08/villamcsapast-idezhetnek-elo-a-arepulogepek)
Az ívkisülés ismert jelenségével, termikus emisszióval és negatív ellenállással magyarázzuk a gömbvillámok stabilitását. Az ionfelhő hőmérsékleteloszlása és a rekombináció okozzák a gömb alakot. A jelenség kialakulásának energiáját az elektromos légköri feszültség biztosítja. Makroszkopikusan elektromosan semleges, de kb. 10 ezer Kelvin fokos plazma. Megszűnését a rekombináció és az energiamegmaradás okozza.
A gömbvillám leírása: forrása a földfelületről induló, nehezen észrevehető ioncsatornák. Az ionok a Föld felszínről származnak, a légköri feszültség hozza létre a csatornákat, és nem stabil jelenségek, ütközéses ionizáció a jellemző. Gázkisülésnél a jelenség neve koronakisülés (parázsfény, Szent Elmo tüze, https://en.wikipedia.org/wiki/St._Elmo%27s_fire, hideg plazma), és negatív ellenállás jellemzi.
Az ioncsatorna elég nagy légköri feszültségnél ívfénnyé alakul, melyet termikus elektronemisszió és ismét negatív ellenállás jellemez, (ld. alul az ábrát). Az ívfény állapot a Föld felszínétől független, stabil jelenség néhány 10 másodpercre, a megmaradási törvényeknek megfelelően. A villámok a Földről vagy repülőgépekről, esetleg nagy kapacitású más helyekről induló ioncsatornái megfelelő forrásai a gömbvillámoknak.
A gömb mérete, térfogata, nyomása, és így az ionok száma lényegében állandó, ami úgy lehetséges, hogy a felületén közel annyi ion rekombinálódik, amennyi a belsejében keletkezik a termikus emisszió következtében egyensúlyi állapotban. A nyomás és a térfogat jó közelítéssel állandó (a hőmérséklet lassan csökken a sugárirányban és időben a hőveszteség miatt). Külső energiaforrás nélkül saját energiáját fogyasztva hűl, erős az elektromágneses (fény, hő) vesztesége, a részecskék lekombinálódnak, és a gyújtásfeszültség alatt összeomlik az ívgömb.
A gyújtásfeszültség felett a belsejében az ionizáció jellemző. A felületén parázsfény és a rekombináció a jellemző, a hőmérséklet-eloszlás következménye a szimmetrikus gömbalak. Az ionok radiális sűrűségeloszlása függvénye a nem ionizált oxigén és nitrogén molekulák szabad úthosszának, melyek a felületéről visszaáramlanak.
A SARKI FÉNYRŐL
A sarki fény töltött részecskéinek eredete: a napszéllel nagy energiájú elektronok és protonok közelednek a Föld felé, a földi mágneses mező ezeket a töltött részecskéket a pólusok felé irányítja, módosítja a részecskék irányát. A töltött részecskék követik a mágneses erővonalakat a felső légkörbe, gázatomokkal (főleg oxigénnel és nitrogénnel) ütköznek, az ütközések gerjesztik a gázatomokat (hideg plazma), ami fénykibocsátásra készteti a gázatomokat. A sarki fény színe a gáz típusától és attól függ, hogy milyen magasságban történnek az ütközések, pl. más az oxigén ionok színe nagy magasságban (zöld), és más alacsonyan (sárgás, ritkábban vörös).
Amennyiben színeket feleltetünk meg a hőmérsékletnek és a hullámhosszaknak 1800K és 5600K fok között, akkor:
Szin hőmérsékletek: (https://hu.wikipedia.org/wiki/Sz%C3%ADnh%C5%91m%C3%A9rs%C3%A9klet)
A KORONAKISŰLÉS, ÍVFÉNY
A gömbvillámok keletkezésének fizikai modellezésére ismert jelenségeket használunk, a koronakisülést, aminek a Földről induló, nehezen észrevehető ioncsatorna a forrása (https://en.wikipedia.org/wiki/Corona_discharge). A koronakisülés a levegő helyi ionizációja, és olyan helyeken keletkezik, ahol az elektromos mező (potenciálgradiens) erőssége meghaladja a levegő dielektromos szilárdságát, az utóbbi erősen függ a páratartalomtól. Gyakran kékes izzásként látható a levegőben (Szent Elmo-tűz).
Két fajtája van, a pozitív és negatív koronák. A kétféle koronakisülés fizikai működése alapvetően eltér. Oka, hogy az elektronok és a pozitívan töltött ionok tömege, mozgékonysága lényegesen különbözik. Amikor az elektronok ütközéses ionizációt okoznak, elég nagy feszültség különbségnél az elektronlavinák keletkeznek könnyebben. Pozitív koronában az összes elektron befelé mozog az ionfelhőbe, az ionok pedig kifelé taszítódnak, a negatív koronában ellenkezőleg.
A gömbvillám egy folyamat, nem statikus töltések alkotják. A korona fényét az okozza, hogy az elektronok pozitív ionokkal rekombinálódva semleges atomokat alkotnak, amikor az elektron visszatér az eredeti energiaszintjére, fotonokat bocsát ki. A fotonok további atomok ionizációját is okozhatják, fenntartva az ionizációt.
Elég nagy légköri feszültségnél a folyamat önmagát gerjeszti (negatív ellenállású állapot: az áram állandó vagy nő, miközben a feszültség csökken vagy állandó), ami
az önfenntartó plazma stabilitásának feltétele.
A levegő gyújtási feszültségénél az elektronok már elegendően nagy energiájúak ahhoz, hogy képesek legyenek termikus emisszióra, (https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_ionization), megjelenik az ívfény. Az ívfényt a termikus elektron emisszió jellemzi, a plazmában többszörösen ionizált atomok is lehetnek, és a hőmérséklete ugrásszerűen megnő (10 000 K fok is lehet), ez a gömbvillám esete.
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 indokolható, ekkor termikus elektronok képződnek nagy számban, melyek a felületi rekombinációval tartanak egyensúlyt.
Lényeges lépés volt a meggondolásban a koronakisülés elemzése, ami egyszerűen értelmezhetővé teszi a negatív ellenállás jelenségét ütközéses ionizáció esetén. A negatív (differenciális vagy dinamikus) ellenállás plazmákban, félvezetőkben értelmezett jelenség, előfeszített terheléseknél fordul elő, azaz U ≈ 0 feszültségnél nem létezik.
Az elektromos kisülés feszültség-áram összefüggése: az önfenntartó kisülést elektron lavinák jellemzik. Kisebb feszültségnél fényemisszió nélkül (átmeneti szakasz, sötét kisülés), aztán parázsfényes izzó kisülés következik ütközéses elektron lavinákkal (parázsfény és koronakisülés: a fényt gerjesztett semleges atomok bocsátják ki). Az elővillámhoz parázsfény, növekedő árammal csökkenő feszültség, negatív ellenállás tartozik ütközéses elektronvezetéssel, egy ioncsatorna, ami nem gömbvillám. A folyamatok légköri nyomáson történnek. Ezután a töltéshordozók termikus emisszióval ionizálnak, kisülés önfenntartó ívkisülésbe megy át. Megszakad a kapcsolat a talajjal, növekszik a áramlás intenzitása.
A hőmérséklet elegendő a gázmolekulák elektronjainak termikus emissziójához, felfújódó gömb alak jellemző a gyújtásfeszültség felett, a felületen lekombinálódnak az ionok. Ez a magas hőmérsékletű ívkisülés szakasza, a meleg plazma állapot, ld. a videót: https://www.youtube.com/watch?v=1bBNeyrMOJE.
A sugár menti eloszlások: a gömb mérete, térfogata, nyomása közel állandó, az ionok száma időben lassan csökkenhet a rekombináció következtében. A hőmérséklet csökken sugárirányban és az időben is, a hőveszteség miatt. A felületén az elektronlavinák (parázsfény) lehet a jellemző, a sugárirányban csökkenő hőmérsékletnek és a megfigyeléseknek megfelelően, az ívgömbben a termikus elektronemisszió a jellemző.
Az energiamegmaradás törvényének megfelelően a termikus emisszió egy ideig fennmarad csökkenő külső feszültségnél is. Külső energiaforrás nélkül saját energiáját fogyasztva hűl, erős az elektromágneses (fény, hő) vesztesége, majd a gyújtásfeszültség alatt összeomlik az ívgömb. A felületi rétegben a rekombináció miatt az ionsűrűség elhanyagolható nagyságúvá válik, a konventív hővezetés miatt kívülről pótlódnak a levegőmolekulák. A peremen kiáramló, nagy hőmérsékletű rekombinált ionok, azaz meleg molekulák száma és a beáramló hideg gázmolekulák száma fordítva arányos a hőmérsékletükkel, azaz nin Tin = nout Tout , mert a transzlációs sebességük azonos, csak a hőmozgásuk arányos a hőmérséklettel. A nagy részecskeszám különbség nagy nyomáskülönbséget eredményezne, így a beáramló hideg gázmolekulák összetartják a gömvillámot.
Kívülről az ívgömb semleges, az ionizációból következik, hogy az elektronok és az ionok száma kb. azonos (https://hu.wikipedia.org/wiki/Debye%E2%80%93H%C3%BCckel-elm%C3%A9let). Közelítőleg, mert az elektronok mozgékonyabbak.
A gyújtásfeszültség felett a gömbvillámon belül a termikus ionizáció jellemző. A felületén a rekombináció a jellemző, a hűlés, a hőmérsékleteloszlás következménye a szimmetrikus gömbalak. Az ionok radiális sűrűségeloszlása a félsugárig és közelében maximumot mutathat annak függvényében, hogy a még nem ionizált oxigén és nitrogén molekulák milyen távolságig jutnak be kívülről, a felületéről. A lekombinálódott levegőmolekulák az ívgömb belsejébe mozognak, az ellenkező irányú mozgásuk a atmoszferikus nyomást megváltoztatná. Ezért nem a konventív energiaveszteség jellemző, ha nem a sugárzó veszteségek. A levegő rossz hővezető képessége miatt a konduktív veszteség viszonylag kevés.
A gömbvillámon belül az elektronok és a pozitív ionok szabad úthosszai a meghatározóak, az elektronoké kb. 5.5 -szörös. Az ütközések csökkentik az elektronok, ionok energiáját, az ütközésekből származó energiaveszteség lassítja a részecskék mozgását negatív ellenállás esetén is.
(Az ionok mozgása szupravezetés -azaz zérus ellenállás- esetén is kutatás tárgya: https://www.popularmechanics.com/science/a62121695/edge-state-atoms-energy-transmission/)
A másodlagos ioncsatorna, elővillám zöld parázsfénnyel (Upwards streamer emanating from the top of a pool cover, https://en.wikipedia.org/wiki/Lightning#cite_ref-57)
Gömbvillám (lightning ballang): ritka villám típus, a pereme opálos ködfény, lebegő gömb alakú, belül ívfény jelenség, gyakran zivatarok idején. A szinét az oxigén és nitrogén ionok határozzák meg. Az opálos izzását felületi koronakisülés okozza, elektronlavinákkal, negatív differenciális ellenállással. Termikus ionizáció jellemzi a belső tartományt, negatív differenciális ellenállással, a koronakisülést és a termikus ionizációt elválasztja egy pozitív ellenállású réteg. Fennnaradásához külső feszültség már nem szükséges. A felületén az elektronok rekombinálódnak, és az ütközéses ionizációban vesznek részt, az utóbbiak a lavinák elektronjai is. A pozitív ellenállású réteg összetartó hatása: távolról a gömb közel elektromosan semleges, a réteg felületi jelensége tartja össze, magyarázza a gömb alakot (a plazma a negyedik halmazállapot: https://mscms.uni-pannon.hu/images/Education/Boda/FizKem_II_6-feluleti-jelensegek.pdf). A felületén alacsonyabb a hőmérséklet, ahol a parázsfény a jellemző, a peremén lekombinálódnak az ionok. A gömbvillám összességében elektromosan semleges. A két ionizált tartomány között egy pozitív ellenállású gömbréteg van, ami egy összetartó felületi erőt eredményez, a felületi feszültséghez hasonlót.
A peremen kiáramló, nagy hőmérsékletű lekombinált ionok, azaz a kiáramló meleg molekulák száma és a beáramló hideg gázmolekulák száma fordítva arányos a hőmérsékletükkel, a sebességükkel, azaz nin vin = nout vout , a gömb középen a legintenzívebb a termikus emisszió. Az ívfény negatív ellenállású jelenségével magyarázzuk a gömbvillámok fényét, stabilitását egy pozitív ellenállású gömbréteggel.
Summary: ball lightning is a rare type of lightning, with an opalescent arc around the edge, a floating spherical phenomenon, often seen during thunderstorms. The color is determined by oxygen and nitrogen ions. The opalescent glow is caused by a surface corona discharge, with electron avalanches. The inner region is characterized by thermal ionization, with negative differential resistance, and the surface by recombination. Electrons with sufficiently high energy leave the ball, those with low energy recombine and participate in collisional ionization, the latter being the electrons of the avalanches. The cohesive effect of avalanches and recombination: From a distance, the sphere is nearly electrically neutral, surface phenomena hold it together, explaining the spherical shape (plasma is the fourth state of matter: https://mscms.uni-pannon.hu/images/Education/Boda/FizKem_II_6-feluleti-jelensegek.pdf, in Hungarian. The temperature is lower on the surface, where the glow is characteristic, the ions recombine at the edge. Ball lightning is electrically neutral overall. Their thermal motion is proportional to the temperature, which results in a cohesive surface force, similar to surface tension. The number of high-temperature recombined ions, i.e. hot molecules, flowing out at the edge and the number of cold gas molecules flowing in are inversely proportional to their temperature and speed, i.e. nin vin = nout vout . We explain ball lightning with the negative resistance phenomenon of arc light stability. The thermal emission is most intense in the center of the sphere.)
*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,
- https://anyanyelvcsavar.blog.hu/2018/07/20/a_villamok_nepi_osztalyozasa_kulonos_tekintettel_a_gombvillamra)
- 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).
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)
- (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 részben szennyezések.