A laboratórumokban sikerült szilíciumból világító gömböket előállítani. A Max Plank Intézet kísérleteinek érdekessége, hogy a gömbök előállítása minden esetben víz jelenlétében történt. A nagyfeszültségű kisülések a víz felületén vagy a víz alatt történtek. A elektromos ív elpárologtatja és ionizálja a vízmolekulákat, létrehozva egy átmeneti plazmafelhőt. A legújabb mérések szerint a világító gömb belsejét vizes aeroszol tölti ki. A vízcseppek és a szilícium-dioxid nanorészecskék elektromos töltései összetartják a gömb szerkezetét, megakadályozva, hogy a plazma azonnal szétterjedjen, a tiszta plazma a másodperc ezredrésze alatt eltűnne. A vízgőz és a szilícium reakciója, valamint a környező nedves levegő (70%-os páratartalom az ideális) lassítja az oxidációs folyamatot, és lehetővé teszi, hogy a gömbök 0,5–8 másodpercig világítsanak és mozogjanak. A kísérleteknél probléma, hogy a szilícium túl gyorsan ég, és túl nehéz. Modellezéssel bizonyítható 80 cm átmérőjű, vagy 80 másodperces gömb nem hozható létre, mert kialszik, vagy leesik. A gömb töltése ≈ 10^-12 Coulomb (azaz 1 pikocoulomb). A mérések és modellek szerint ez a minimális elektromos töltés felelős azért, hogy a gömb külső burkát alkotó, lazán kapcsolódó szilícium-dioxod nanorészecskék elektrosztatikusan a belső szilícium maghoz kötődjenek. A elektromos kölcsönhatás hozza létre azt a porózus hálószerű szerkezetet, vizes aeroszollal keveredve, amely nem engedi a plazmát azonnal szétoszlani, és biztosítja a gömb szerkezeti stabilitását a másodpercekig tartó életartama alatt. Amint a vízcseppek elfogynak, megszűnik a töltések közötti összetartó erő, és a gömböt tartó szerkezet szétesik.

Szennyezett levegőplazmák

Szennyezésként a talajban és a levegőben előforduló anyagokra lehet gondolni, első sorban vízpárára, és laboratóriumi körülmények között szilíciumra. A szennyezett plazmák, a Yukawa-féle porplazmák egyik kedvező tulajdonsága, hogy egy, a felületi feszültséghez hasonló jelenséget mutatnak, ami a gömb alakért felelős lehet.

Egy másik kedvező tulajdonságuk, hogy a szennyező anyag a víz is lehet, amikor akkor a hidroxil -OH gyök kiváló fűtőanyag, mert a rekombinációs folyamatnál nagy gömbökhöz is elegendő és szabályozott hő szabadul fel, amitől lebeg. Ez a modell (https://bencsik.rs3.hu/component/content/category/1051-para-alapu-goembvillam-modell.html?) magyarázatot ad arra is, hogy miért lebeg a gömbvillám. A semleges gázmolekulák, a gyökök szobahőmérsékletűek vagy annál hidegebbek is lehetnek, az elektronok forrók. Szilícium szennyezés esetén (az eredete más kérdés) is működik a modell, amig kevés a szílicium, 30-40 cm átmérőig, utána leesik. Míg az -OH gyök rekombinációja egy önszabályozó folyamat, és lebeg a gömb.

Az  -OH gyökök (a semleges hidroxil és az ionok) keletkezése egyik ismert keletkezése az elővillámoknál (streamer-eknél) fordul elő, és a töltésük a göbvillámok töltéseihez hasonló értékű. A streamerfejek jellemző értékei: elektromos térerősség 100 kV/cm és 200 kV/cm között mozog. a fej csúcsánál a lokális térerősség a nemlineáris tértöltés-koncentráció miatt erősen meghaladja a tiszta levegő makroszkopikus átütési szilárdságát (~ 30 km/cm), és lehetővé teszi a gázok folyamatos ionizációját. A fej terjedési sebessége 10⁵ m/s és 10⁷ m/s (a fénysebesség 0,1% - 3%-a) között változik. Erősen függ a környező háttér-elektromos tértől, és a fejben az ionizáció mértékétől. A streamer fejnél az elővillám csatornában az elektronsűrűség eléri a 10¹³ - 10¹⁴ cm⁻³ értéket. A streamer fejben koncentrálódó izolált tértöltés nagyságrendileg 10⁸ - 10⁹ darab elemi töltés (0.16 nC, elektron vagy pozitív ion). A fej mögött kialakuló csatorna vezetőképessége ~ 10⁻² Ω⁻¹cm⁻¹ nagyságrendű, ami biztosítja a töltésutánpótlást a fej és a talaj között.

Talán a streamer (~100A, ~50m) gömbvillámmá alakulásával, a Young-Laplace egyenlet alapján magyarázatot kapunk a gömbvillámok keletkezésére és energiamérlegére. Ha az elővillám felső nem találkozik ellenkisüléssel, a streamer elektromosan elszigetelődik és függetlenné válhat a rendszertől. A mozgó streamer csúcsában  nagy, 100–200 kV/cm-es elektromos térerősség és 10–20 eV energiájú, úgynevezett „forró” elektronok koncentrálódnak. A nagy energiasűrűség egy lokális plazma gömbben reked. A streamer fejben lévő forró elektronok a hatalmas térerő hatására felszakítják a levegőben található molekulák (szénvegyületek, vízpára, nitrogén, oxigén) kémiai kötéseit. Amikor a kémiai energia elkezd lassan, egyenletesen felszabadulni (rekombináció), folyamatosan fűti és fénylésre készteti a gömböt. A streamer-fej elmélet választ ad a két legfontosabb kérdésre: a plazmagömb  a felületi feszültség miatt nem robban szét azonnal, hanem másodpercekig, néhány 10 másodpercig egyben marad, és az élettartamra is. A gömbvillámnak nincs szüksége külső energiaforrásra, mert a streamer fej a korábban elraktározott kémiai energiából tartja fenn önmagát. A lebegés feltétele, hogy az égés önszabályozó (visszacsatolt) legyen.

*Az AI-Gemini a következőkkel egészítette ki:

[Cen, J., Yuan, P., & Xue, S. (2014). Observation of the optical and spectral characteristics of ball lightning. Physical Review Letters, 112(3), Article 035001. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.035001 

A 2012-es kínai kutatás adat elemzése alapján a gömb külső rétege, és a benne égő talajszemcsék (szilícium, vas, kalcium) csak átlagosan 2400 és 4300 Celsius-fok körüliek lehettek. A levegőben  előforduló gyakori "szennyező anyag" a vízpára (és a szén, a szénvegyületek, melyek túl gyorsan égnek), amit a kínai kutatók nem vizsgáltak.