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 érzékelhetőek, a tapasztalatoknak megfelelően. Ívfény esetén termikus ionizáció a jellemző, míg koronakisülés esetén a földfelszínhez is kötött ütközéses, lavinás ionizáció. A plazma negatív ellenállású (dinamikus ellenállás, ami zérus feszültségnél nem létezik) állapotát és 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 felületi jelenség, a vízcseppet összetartó felületi feszültséghez hasonló.
A gömbvillám kialakulása: A villámok fizikájában leírt jelenség, hogy léteznek a Földről induló színes láthatatlan ioncsatornák. Nehezen fotózhatóak, 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 is gerjeszti, és létrejön a termikus elektron emisszió miatt egy másik negatív ellenállású állapot is, ami csökkenő feszültségnél is növeli a felhőkből származó elektronok lavináinak 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, ezért a plazma szabadon lebeghet. A magas, kb. 5000 Kelvin fokos, vagy magasabb hőmérséklet miatt 103 nagyságrendű sűrűségkülönbség alakul ki a normál állapotú levegőhöz viszonyítva, ami összetartja a gömböt egy vízcsepphez hasonlóan, tehát nem centrális erőteret tételezünk fel. Az ívfény negatív dinamikus ellenállású jelenségével magyarázzuk a gömbvillámok fényét.
A felületén alacsonyabb a hőmérséklet, a parázsfény a jellemző, a peremén lekombinálódnak az ionok. A gömbvillám összességében elektromosan 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 sűrűségkülönbséget okoz.// 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 incandescent channel breaks away from the earth's surface at a sufficiently high atmospheric tension, and a ball lightning is formed: a state of negative resistance, which is already characterized by thermal emission. Thermal emission increases the mobility of the particles, so the plasma can float freely. Due to the high temperature, about 5000 Kelvin or higher, a density difference of the order of 103 is formed compared to normal air, which holds the ball together similarly to a water drop, so we assume a non-central force field. We explain the light of ball lightning with the phenomenon of negative dynamic resistance of arc light.
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 over the thermal emission region. 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 the negative resistance phenomenon of arc light and with surface tension.
BEVEZETÉS
Egy szép videó: https://videa.hu/videok/tudomany-technika/lefilmezett-gombvillam-para-Ak1xNJku6ZX0v6pi. A gömbvillámoknak a fizika közel minden szóba jövő témakörét lefedő számos magyarázata* létezik, ahol az irodalmi áttekintés található. A hipotézisek centrális erőtereket, vagy ritkán elő forduló részecskéket feltételeznek.
A gömbvillám légköri jelenség, a feltételezésünk szerint a levegő, a nitrogén és az oxigén ionjai alkotják a gömbvillámokat, és a töltéskisülés jelenségeivel leírható. 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, amit a termikus ionizáció jellemez.
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 rekombinálódnak 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, néha repülőgépekről induló, nehezen észrevehető ioncsatornák. 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, a felhőkből induló, általában elektronokból álló csatornával, a villámmal.
Az ívkisülés ismert jelenségével, termikus emisszióval és negatív ellenállással magyarázzuk a gömbvillámok fényét. A felületi sűrűségkülönbség okozza a gömb alakot. A jelenség kialakulásának energiáját az elektromos légköri feszültség biztosítja. Makroszkopikusan elektromosan semleges. 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, létrejön egy olyan negatív ellenállású állapot, amit már termikus emisszió jellemez. A termikus emisszió növeli a részecskék mozgékonyságát, a plazma szabadon lebeghet, ha valami - felületi feszültség- összetartja.
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 a létezése alatt lényegében állandó, ami úgy lehetséges, hogy a felületén közel annyi ion rekombinálódik, amennyi a belsejében keletkezik a termikus emisszió következtében egyensúlyi állapotban. A nyomás (légköri) és a térfogat jó közelítéssel állandó (a hőmérséklet lassan csökken a sugárirányban és időben a hőveszteség miatt). Külső energiaforrás nélkül saját energiáját fogyasztva lehűl, 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. Az ionok radiális sűrűségeloszlása függvénye a nem ionizált oxigén és nitrogén molekulák szabad úthosszának a felületen.
A KORONAKISŰLÉS, ÍVFÉNY
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. 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, ami egy ioncsatorna, nem gömbvillám. A folyamatok légköri nyomáson történnek.
Magasabb feszültségen 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 csökken 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 (sugárzási: 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. A nagy részecskeszám különbség nyomáskülönbséget eredményezne, így az átmeneti réteg két oldalán nagy, 103 nagyságrendű a sűrűségkülönbség.
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). és az elektronok mozgékonyabbak.
A gyújtásfeszültség felett a gömbvillámon belül a termikus ionizáció jellemző. 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 felületi feszültség összetartja. A felületén az elektronok rekombinálódnak.
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 peremen kiáramló, nagy hőmérsékletű rekombinált 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 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 centrális erőtét helyett egy - a felületi feszültséghez hasonló- jelenséget tételezünk fel. Halmazállapot (fázis-) változásoknál, ismert módon, fellépnek másodlagos jelenségek, mindig a két különböző halmazállapot határán, pl. a vízcsepp esetén, aminek a görbületét pozitívnak tekintjük a következőkben. A másodlagos jelenségek okai pl. a két fázis-, azaz a halmazállapotok sűrűség különbségei.
Elegendő a sűrűségek arányát meghatározni, és egyszerű számítással kapjuk: T= 5000 Kelvin fok és állandó légköri nyomás esetén:
Molnyi mennyiségű normál állapotú levegő térfogata (22,41 liter), súlya (28.97 g) , részecske száma 6,022 1023 . Molnyi mennyiségű T= 5000 K fokos -ionizáltnak gondolt, de távolról elektromosan semleges- levegő térfogata V= nRT/p kifejezéssel számítva 410.3 liter, részecske száma 6,022 1023 . A λT = 410.3 arány T = 5000 Kelvin fok esetén megadja, hogy a részecskék átlagsebessége hányszorosa a normál állapotbeli átlagsebességnek, az impulzusmegmaradás miatt. A feltételezés szerint a gömb külső felületén sok, 6,022 1023 részecske/22,41 liter sűrűségű és kis sebességű részecske légköri nyomása tart egyensúlyt kevés, 6,022 1023 részecske/410.3 x 22,41 liter sűrűségű, de nagy sebességű, légköri nyomású, λT -szeres sebességű részecskével. A felületen a részecskesűrűségek aránya is λT szerinti, azaz ≈ 0.5 103 nagyságrendű, T = 5000 Kelvin fok esetén, amit a gömbvillámok minimális hőmérsékletének gondolunk. A részecskesűrűség különbség a -feltételezésünk szerint- okozza a felületi feszültség típusú összetartó erőt. Amennyiben egy vízcsepp görbületét pozitívnak tekintjük, akkor a gömbvillám felületének görbülete negatív, ami a fizikailag igen szokatlan.
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 érzékelhetőek, a tapasztalatoknak megfelelően. Ívfény esetén termikus ionizáció a jellemző, míg koronakisülés esetén a földfelszínhez is kötött ütközéses, lavinás ionizáció. A plazma negatív ellenállású (dinamikus ellenállás, ami zérus feszültségnél nem létezik) állapotát és 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 felületi jelenség, a vízcseppet összetartó felületi feszültséghez hasonló.
A gömbvillám kialakulása: A villámok fizikájában leírt jelenség, hogy léteznek a Földről induló színes láthatatlan ioncsatornák. Nehezen fotózhatóak, 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 is gerjeszti, és létrejön a termikus elektron emisszió miatt egy másik negatív ellenállású állapot is, ami csökkenő feszültségnél is növeli a felhőkből származó elektronok lavináinak 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, ezért a plazma szabadon lebeghet. A magas, kb. 5000 Kelvin fokos, vagy magasabb hőmérséklet miatt 103 nagyságrendű sűrűségkülönbség alakul ki a normál állapotú levegőhöz viszonyítva, ami összetartja a gömböt egy vízcsepphez hasonlóan, tehát nem centrális erőteret tételezünk fel. Az ívfény negatív dinamikus ellenállású jelenségével magyarázzuk a gömbvillámok fényét.
A felületén alacsonyabb a hőmérséklet, a parázsfény a jellemző, a peremén lekombinálódnak az ionok. A gömbvillám összességében elektromosan 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 sűrűségkülönbséget okoz.// 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 incandescent channel breaks away from the earth's surface at a sufficiently high atmospheric tension, and a ball lightning is formed: a state of negative resistance, which is already characterized by thermal emission. Thermal emission increases the mobility of the particles, so the plasma can float freely. Due to the high temperature, about 5000 Kelvin or higher, a density difference of the order of 103 is formed compared to normal air, which holds the ball together similarly to a water drop, so we assume a non-central force field. We explain the light of ball lightning with the phenomenon of negative dynamic resistance of arc light.
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 over the thermal emission region. 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 the negative resistance phenomenon of arc light and with surface tension.
BEVEZETÉS
Egy szép videó: https://videa.hu/videok/tudomany-technika/lefilmezett-gombvillam-para-Ak1xNJku6ZX0v6pi. A gömbvillámoknak a fizika közel minden szóba jövő témakörét lefedő számos magyarázata* létezik, ahol az irodalmi áttekintés található. A hipotézisek centrális erőtereket, vagy ritkán elő forduló részecskéket feltételeznek.
A gömbvillám légköri jelenség, a feltételezésünk szerint a levegő, a nitrogén és az oxigén ionjai alkotják a gömbvillámokat, és a töltéskisülés jelenségeivel leírható. 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, amit a termikus ionizáció jellemez.
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 rekombinálódnak 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, néha repülőgépekről induló, nehezen észrevehető ioncsatornák. 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, a felhőkből induló, általában elektronokból álló csatornával, a villámmal.
Az ívkisülés ismert jelenségével, termikus emisszióval és negatív ellenállással magyarázzuk a gömbvillámok fényét. A felületi sűrűségkülönbség okozza a gömb alakot. A jelenség kialakulásának energiáját az elektromos légköri feszültség biztosítja. Makroszkopikusan elektromosan semleges. 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, létrejön egy olyan negatív ellenállású állapot, amit már termikus emisszió jellemez. A termikus emisszió növeli a részecskék mozgékonyságát, a plazma szabadon lebeghet, ha valami - felületi feszültség- összetartja.
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 a létezése alatt lényegében állandó, ami úgy lehetséges, hogy a felületén közel annyi ion rekombinálódik, amennyi a belsejében keletkezik a termikus emisszió következtében egyensúlyi állapotban. A nyomás (légköri) és a térfogat jó közelítéssel állandó (a hőmérséklet lassan csökken a sugárirányban és időben a hőveszteség miatt). Külső energiaforrás nélkül saját energiáját fogyasztva lehűl, 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. Az ionok radiális sűrűségeloszlása függvénye a nem ionizált oxigén és nitrogén molekulák szabad úthosszának a felületen.
A KORONAKISŰLÉS, ÍVFÉNY
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. 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, ami egy ioncsatorna, nem gömbvillám. A folyamatok légköri nyomáson történnek.
Magasabb feszültségen 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 csökken 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 (sugárzási: 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. A nagy részecskeszám különbség nyomáskülönbséget eredményezne, így az átmeneti réteg két oldalán nagy, 103 nagyságrendű a sűrűségkülönbség.
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). és az elektronok mozgékonyabbak.
A gyújtásfeszültség felett a gömbvillámon belül a termikus ionizáció jellemző. 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 felületi feszültség összetartja. A felületén az elektronok rekombinálódnak.
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 peremen kiáramló, nagy hőmérsékletű rekombinált 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 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 centrális erőtét helyett egy - a felületi feszültséghez hasonló- jelenséget tételezünk fel. Halmazállapot (fázis-) változásoknál, ismert módon, fellépnek másodlagos jelenségek, mindig a két különböző halmazállapot határán, pl. a vízcsepp esetén, aminek a görbületét pozitívnak tekintjük a következőkben. A másodlagos jelenségek okai pl. a két fázis-, azaz a halmazállapotok sűrűség különbségei.
Elegendő a sűrűségek arányát meghatározni, és egyszerű számítással kapjuk: T= 5000 Kelvin fok és állandó légköri nyomás esetén:
Molnyi mennyiségű normál állapotú levegő térfogata (22,41 liter), súlya (28.97 g) , részecske száma 6,022 1023 . Molnyi mennyiségű T= 5000 K fokos -ionizáltnak gondolt, de távolról elektromosan semleges- levegő térfogata V= nRT/p kifejezéssel számítva 410.3 liter, részecske száma 6,022 1023 . A λT = 410.3 arány T = 5000 Kelvin fok esetén megadja, hogy a részecskék átlagsebessége hányszorosa a normál állapotbeli átlagsebességnek, az impulzusmegmaradás miatt. A feltételezés szerint a gömb külső felületén sok, 6,022 1023 részecske/22,41 liter sűrűségű és kis sebességű részecske légköri nyomása tart egyensúlyt kevés, 6,022 1023 részecske/410.3 x 22,41 liter sűrűségű, de nagy sebességű, légköri nyomású, λT -szeres sebességű részecskével. A felületen a részecskesűrűségek aránya is λT szerinti, azaz ≈ 0.5 103 nagyságrendű, T = 5000 Kelvin fok esetén, amit a gömbvillámok minimális hőmérsékletének gondolunk. A részecskesűrűség különbség a -feltételezésünk szerint- okozza a felületi feszültség típusú összetartó erőt. Amennyiben egy vízcsepp görbületét pozitívnak tekintjük, akkor a gömbvillám felületének görbülete negatív, ami a fizikailag igen szokatlan.