MEGJEGYZÉS A GÖMBVILLÁM LEÍRÁSA C. CIKKHEZ
 
 
 
(2025 szeptember)
 
 
 
 
 
 
 
 
 Nem centrális összetartó erőket, hanem külső, felületi feszűltséghez hasonló összetartó erőket kerestünk. Bencsik István:  "A GÖMBVILLÁM LEÍRÁSA" c. cikk www címe: https://bencsik.rs3.hu/component/content/category/471-a-goembvillam-leirasa.html?Itemid=101, és rövid összefoglalása: a gömbvillámok is -mint a villámok általában- ionizált oxigén és nitrogén molekulákból, plazmából állnak, távolról elektromosan semlegesek. Egyik lényeges jellemzőjük, mint a villámoknak általában, a negatív differenciális ellenállás, ami kisülési csövekben megfigyelt, az elketronlavínákkal, plazmákkal kapcsolatos jelenség. 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 részecskék is lehetnek, és a hőmérsékletük ugrásszerűen megnő az átütési feszültség felett (5000-10 000 K fok is lehet), ami a gömbvillám jellemzője. A következő ábrán látható egy gömbvillám, a cikk végén található sok irodalmi hivatkozás* is.
 
 
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 differenciális 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, az átütési feszültség felett, a növekvő áramerősséget csak a megmaradási törvények korlátozzák. 
A gömbvillám kialakulása: A villámok fizikájában leírt jelenség, hogy léteznek a Földről induló színes 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 is 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 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 már termikus emisszió jellemez. A termikus emisszió növeli a részecskék mozgékonyságát, a plazma szabadon lebeghet.
 
 
 
Upwards streamer from pool cover
 
 
A másodlagos oxigén-nitrogén ioncsatorna, elő villám zöld parázsfénnyel, az elsődlegest elektronok alkotják
(Upwards streamer emanating from the top of a pool cover, https://en.wikipedia.org/wiki/Lightning#cite_ref-57)
 
 
Komment: Milyen erőtér tartja össze a gömbvillámokat?
Számtalan elképzelés született a centrális erőtér eredetére, ami összetartja a plazmát. Legnevezetesebb a Nobel-díjas Kapitza ötlete (Kapitza, P. L., Doklady, U.S.S.R. (1955) és https://www.nature.com/articles/185449a0). Kapitza a gömbvillámokat elektromágneses állóhullámokkal írja le, egy vezető ionizált plazmagömb rezonanciájaként, amely akkor jön létre, amikor a hullámhossz körülbelül négyszerese a gömb átmérőjének: tehát az ionokat összetartó erőtér eredete olyan elektromágneses állóhullám, amelyhez egy potenciálminimum tartozik.
 
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 közelítőleg a gömbvillámok minimális hőmérsékletének gondolunk. A részecskesűrűség különbség a okozza a felületi feszültség típusú összetartó erőt.  Amennyiben egy vízcsepp görbületét pozitívnak tekintjük, akkor a gömbvillám felületének görbülete negatív, ami a fizikailag igen szokatlan. Egy adat: a víz és a levegő relatív sűrűsége λ293 = 1.225 103 . 
 
 
 
 
 
 
 
 
*Irodalmi áttekintés (felsorolás): a gömbvillám nem ritka jelenség, sok -bár néha bizonytalan- megfigyelése publikált:
- Megfigyelések története: Keul, A. G.: A brief history of ball lightning observations by scientists and trained professionals, Hist. Geo Space. Sci., 12, 43–56, https://doi.org/10.5194/hgss-12-43-2021, 2021.
- https://www.eskimo.com/%7Ebillb/tesla/ballgtn.html,
- Koronakisűlés (https://en.wikipedia.org/wiki/Corona_discharge): A koronakisülés (vagy csendes kisülés) az elektromos áram egy megjelenési formája, amely normál atmoszferikus nyomású gázokban jön létre, erős, inhomogén elektromos tér jelenlétében, ha a feszültséggradiens az elektromosan töltött felület egy pontján meghaladja a gáz ionizációjához szükséges, az adott konkrét körülmények között érvényes értéket, de nem haladja meg az átütési feszültséget (ez utóbbi esetben „hangos” kisülés: szikrázás vagy elektromos ív jön létre). A koronakisülés során a közvetlen környezetben lévő gáz ionizálódik, elektromosan vezetővé válik, ún. „hideg plazma” jön létre; a távolabbi gáz eredeti állapotában marad. Jellemző kísérőjelenség a halvány, derengő (a földi légkörben a polaritástól függő kékesfehér vagy pirosas színű, a leggyakrabban csak sötétben látható) fény és a sziszegő, halkan sercegő hang. (https://hu.wikipedia.org/wiki/Koronakis%C3%BCl%C3%A9s). Elektromos jellemzői a viszonylag nagy elektromos feszültség mellett kialakuló kis áramerősség, valamint a szikrázás hiánya, https://hu.wikipedia.org/wiki/Szent_Elmo_t%C3%BCze (ezzel szemben az elektromos szikra éles, vakító fénnyel és erős hanggal jár – lásd pl.: villám).
- Nicola Tesla talán előállított gömbvillámot (https://en.wikipedia.org/wiki/Colorado_Springs_Notes,_1899%E2%80%931900), nagyfeszültségű és nagyfrekvenciás eszközökkel kísérletezett. 
- A Max Planc Intézetben (https://phys.org/news/2006-06-physicists-ball-lightning-lab.html) nagy áramerősségű ívvel állítottak elő plazmát, de rövid időre, a gömbvillámok élettartamához viszonyítva.
- Brazil, újzélandi kutatók szilícium elpárologtatásával kisérelték meg az előállítását (https://index.hu/tudomany/villam070112/, http://aparadox.hupont.hu/19/05-brazil-gombvillam). A szikrák mindig tartamazzák az elektrodák darabkáit vagy azok gőzeit. Mikrohullámú előállítási kísérletek is történtek (https://www.nature.com/articles/srep28263). 
- Kapitza (Kapitza, P. L., Doklady, U.S.S.R. (1955) és https://www.nature.com/articles/185449a0) a gömbvillámokat elektromágneses állóhullámokkal írja le, egy vezető ionizált plazmagömb rezonanciájaként, amely akkor jön létre, amikor a sugárzás hullámhossza körülbelül négyszerese a tűzgömb átmérőjének. Az ionokat összetartó erőtér eredete Kapitza szerint elektromágneses állóhullám, amely átlagosan egy virtuális potenciálminimumot hoz létre. Kapitza ötletét nem fogadták 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) 
 
 
**Megfigyelt jellemzők, felsorolás (https://en.wikipedia.org/wiki/Ball_lightning):
- szabálytalan pályán lebeg, ("matat"), forog, gurul,
- rombol, bár nem minden esetben, 
- sokszor zivatarban fordul elő, de nem kizárólag, bár zivatarban gyakoribb,
- széllel szemben is mozoghat, sebessége 1-2 m/sec is lehet,
- térelválasztó elemeken lyukat éget, néha nyom nélkül átjut.
- a gömbvillámokat átlátszó, opálosan áttetsző homályos szélekkel írják le. Többszínű, egyenletesen világító, sugárzó lángok, szálak vagy szikrák formájában írták le, amelyek formája a gömb, ovális alakzat, könnycsepp, és ritkán korong között változik,
- hirtelen eltűnnek, fokozatosan szétoszlanak, vagy elnyelődnek egy tárgyban, "pukkanva", hangosan robbanva, akár erővel robbanva, ami  komoly károkat okozhat. A beszámolók az emberre való állítólagos veszélyességükről is eltérnek, a halálos és az ártalmatlan között. Gyakran jelentenek ózonra, égő kénre vagy nitrogén-oxidokra emlékeztető szagokat.
- Átmérőjük 1-100 cm között mozog, leggyakrabban 10 cm körüli, 
- A színek széles skáláját figyelték meg, a leggyakoribbak a vörös, a narancssárga és a sárga, ritkán kékes, általában opálos színű.
- Élettartama egy másodperctől több mint egy percig tart, és a fényerő ez idő alatt viszonylag állandó marad,
- a megfigyelők ritkán számolnak be hőérzetről, de megéget minden érintett tárgyat, amivel érintkezik. Néhány esetben a gömb eltűnését erős hő felszabadulása kísérte.
- Egyes gömbök vonzódnak a fémtárgyakhoz, és vezetők mentén mozognak mint a drótok vagy fémkerítések.
- Egyesek épületeken belül jelennek meg előzmény nélkül, áthaladnak a zárt ajtókon és ablakokon, fém repülőgépeken belül is megjelentek, és anélkül léptek be és távoztak, hogy kárt tettek volna bennük.
- Lehetséges spektruma: szilikon, kalcium, vas, nitrogén, oxigén emisszió vonalakat figyeltek meg egy kínai spektrum mérésben nagy távolságból, valószínűleg a talajba csapott villám szennyezései.  
**
Közvetlen mérés, a gömbvillám emissziós spektruma
 
Ball lightning spectrum.svg

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]